Adición de nanoplaquetas de grafeno a materiales ...La metodología adoptada durante el desarrollo...

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

Especialidad Mecánica

Adición de nanoplaquetas de grafeno a materiales compuestos epoxi-fibra de vidrio para mejorar las propiedades

mecánicas

Autor: Álvaro Fernández Villalba Director: María Yolanda Ballesteros Iglesias

Madrid Junio 2016

ADICIÓN DE NANOPLAQUETAS DE GRAFENO A MATERIALES COMPUESTOS EPOXI-FIBRA DE VIDRIO PARA MEJORAR LAS PROPIEDADES MECÁNICAS

Autor: Fernández Villalba, Álvaro

Directora: Ballesteros Iglesias, María Yolanda

Entidad Colaboradora: ICAI - Universidad Pontificia Comillas

Resumen del proyecto

1. Introducción

El principal propósito de este proyecto es la mejora de las propiedades mecánicas de

materiales basados en resina epoxi al reforzarlas con nanopartículas de grafeno, las cuales

han sido funcionalizadas de tres formas distintas. Las funcionalizaciones se denominan

OX, AC1 y AC2, diferenciándose unas de otras en la presencia o no de un polímero

añadido y en el tamaño de las nanoplaquetas. El material base empleado ha sido la resina

epoxi comercial Resoltech® 1050 con el endurecedor 1058S para las probetas en masa

que sirvieron para caracterizar la resina como adhesivo y la resina Resoltech® 1050 con

el endurecedor 1058S más fibra de vidrio (con una orientación de las fibras de 45º) para

las probetas de material compuesto laminar.

Cada tipo de probeta utilizada (masa y laminar) tiene un proceso diferente de

fabricación. Los ensayos que se han relazado para determinar el comportamiento de estos

materiales han sido:

Ensayo de tracción para probetas en masa y laminares

Ensayo de flexión para probetas en masa y laminares

Ensayo de fatiga a tracción de probetas en masa

Ensayo de fatiga a flexión de probetas laminares

Ensayo de fractura interlaminar

Ensayo de fractura de probetas en masa

Ensayo de impacto de probetas laminares

2. Metodología

La metodología adoptada durante el desarrollo de este proyecto se divide en dos

etapas muy diferenciadas, la fase en las que se fabrican las muestras, y la fase posterior

en la que se ensayan. En la fabricación, se fabricaron probetas con distintas geometrías

para cumplir con las diferentes normas según el tipo de ensayo.

Para el ensayo de tracción y de fatiga a tracción de las probetas en masa, se utilizaron

probetas con forma de hueso de perro acorde con la norma UNE-EN ISO 6892. Para el

ensayo de flexión de las probetas en masa, se utilizó una forma prismática rectangular, de

acuerdo con la norma UNE-EN ISO 178. Para el ensayo a flexión y fatiga a flexión de las

probetas laminares se utilizó una sección rectangular de 25 mm de ancho y 2 mm de

espesor . Para el ensayo a fractura de las probetas en masa, se utilizaron probetas

cilíndricas según la norma ASTM E1304. Para el ensayo de impacto con el péndulo

Charpy, el material laminado tenía forma de prisma rectangular de acuerdo con la norma

UNE-EN ISO 179-1. Finalmente, para el ensayo de fractura interlaminar se utilizó la

norma AITM 1-0005.

El proceso de fabricación de las probetas en masa consta de las siguientes fases:

1. Medición de la cantidad de cada componente (resina epoxi, concentrado de

nanoplaquetas y endurecedor) según el volumen total de la muestra a preparar,

resultando las nanoplaquetas un total de 0,2% en masa respecto a la masa total.

2. Dispersión de las nanoplaquetas concentradas inicialmente al 2,7 % en el

componente A de la resina epoxi hasta conseguir una mezcla homogénea y

posterior extracción del aire retenido por vacío.

3. Mezcla del componente B de la resina epoxi (endurecedor).

4. Llenado de los moldes.

5. Tratamiento térmico en estufa a 60ºC durante 16 horas.

6. Mecanización y lijado manual para adaptar a la norma según ensayo.

El proceso de fabricación de las probetas laminares consta de las siguientes fases:

1. Medición de la cantidad de cada componente (resina epoxi, concentrado de

nanoplaquetas y endurecedor) según el peso de la fibra de vidrio. La relación en

masa resina-fibra es de (1:1). La concentración total de nanoplaquetas es del 0,2 %

respecto a la masa total de resina empleada.

2. Dispersión de las nanoplaquetas concentradas en la resina epoxi hasta conseguir

una mezcla homogénea y posterior extracción del aire retenido por vacío.

3. Mezcla del componente B de la resina epoxi (endurecedor).

4. Fabricación de láminas de material compuesto alternando capas de fibra de vidrio

(6 capas en total) con capas de resina que funciona como adhesivo y matriz del

material compuesto.

5. Tratamiento térmico en estufa a 60ºC durante 16 horas.

6. Corte en probetas rectangulares de 25 mm de ancho.

3. Resultados

Para todos los ensayos de las probetas en masa se ha utilizado un tamaño de lote de 5

probetas por cada tipo de material como mínimo, excepto para el ensayo de fatiga, que se

han utilizado 15. Para los ensayos de las probetas laminares se han utilizado 5 para

flexión, 5 para tracción, 6 para fractura interlaminar y 6 para fatiga. En todos los casos se

ha utilizado la resina epoxi pura como control, comparando el resto de materiales con

ella. En la siguientes tablas, se muestran el porcentaje de variación, de cada propiedad

estudiada, respecto a la resina epoxi pura, sin ningún tipo de añadido. Los resultados

aparecen desglosados según el tipo de funcionalización a la que se han sometido las

nanoplaquetas. En la tabla 1, se muestran los resultados relativos a las probetas en masa

y en la tabla 2 los de las probetas laminares.

Probetas en masa Epoxi Epoxi +OX Epoxi+AC1 Epoxi+AC2

Módulo de elasticidad (E) en GPa 3,090 +4,80 % +2,00 % +13,00 %

Límite elástico (Rp 0,2% ) en MPa 58,21 +3,60 % +4,70% +12,15 %

Resistencia a la tracción (Rm) en MPa 60,57 +5,40% +9,26 % + 20,20 %

Resistencia a la flexión (Rf) en MPa 98,92 +5,33 % -8,91 % +4,79 %

Módulo de elasticidad (Ef) en GPa 3,650 -11,85 % -5,92 % -10,6 %

Tenacidad a la fractura (KI) en MPa ∗ √m 1,48 -18,24 % -5,40 % +12,16 %

Número ciclos medio de fatiga a tracción 3690 + 180 % -40,21 % +100 %

Tabla 1 : Variación de las propiedades mecánicos de la resina epoxi al añadirle nanoplaquetas de grafeno funcionalizadas (OX, AC1 Y AC2)

Tabla 2: Variación de las propiedades mecánicas de los laminados GRP al añadirle nanoplaquetas de grafeno funcionalizadas (OX, AC1 Y AC2)

En las gráficas 1 y 2 se muestran los resultados de los ensayos de fatiga a tracción de

las probetas en masa. En la gráfica 1 se aprecia como las nanoplaquetas AC2 tienen un

50% de probabilidad de aguantar 5.000 ciclos de fatiga, mientras que para la misma

probabilidad de supervivencia, el epoxi solo y las nanoplaquetas OX aguantan 4.000

ciclos. El AC1 muestra un comportamiento menos idóneo, 2.500 ciclos.

Si tomamos como referencia el 10 % de probabilidad de supervivencia, las

nanoplaquetas AC1 aguantan 4.500 ciclos, las OX 22.000 y el resto ( epoxi y AC2)

rompen siempre.

Probetas laminares Epoxi Epoxi +OX Epoxi+AC1 Epoxi+AC2

Módulo de elasticidad (E) en GPa 2,3500 -3,03 % - -

Límite elástico (Rp 0,2% ) en MPa 284,95 -3,85 % - -

Resistencia a la tracción (Rm) en MPa 288,26 -2,98 % - --


Fractura interlaminar de probetas laminares (GIc) en KJ/m2

1,88 -24,74 % - -

Número medido de ciclos 108.291 -90 % +188 % + 3,7 %

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

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80%

90%

100%

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000Probabilidad

de supervivencia (%

)

Número de ciclos hasta el fallo

Epoxi

Epoxi+OX

Epoxi+AC1

Epoxi+AC2

Gráfica 1 : Probabilidad de supervivencia de las probetas en masa sometidas a fatiga a tracción

En la gráfica 2 se precia como todas las nanoplaquetas menos las AC1 mejoran

respecto a la resina pura en número medio de ciclos, siendo las nanoplaquetas OX las

únicas que pese a su desviación, se encuentran siempre por encima de la de la resina epoxi

pura. En las nanoplaquetas tipo AC2, el intervalo de la desviación se superpone con el de

la resina epoxi pura, por lo que a mejora no es tan clara.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 100000 200000 300000 400000 500000 600000Probabilidad

de supervivencia (%

)

Número de ciclos hasta el fallo

Epoxi

Epoxi+OX

Epoxi+AC1

Epoxi+AC2

Gráfica 3 : Probabilidad de supervivencia de las probetas laminares sometidas a fatiga a flexión

0

2000

4000

6000

8000

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12000

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16000

18000

Epoxi puro Epoxi+ OX Epoxi+AC1 Epoxi+AC2

Núm

ero

de c

iclo

s m

edio

Gráfica 2: Número de ciclos de fatiga medio de la resina epoxi sin y con los tres tipos de nanocargas en fatiga a tracción

En la gráfica número 3, se muestran los resultados de los ensayos de fatiga a

flexión de todas las probetas laminares ensayadas en este proyecto. Las

funcionalizaciones AC1 y AC2 mejoran respecto al epoxi puro, si tomamos como

referencia un 50% de probabilidad de supervivencia, las AC1 aguantan 200.000 ciclos y

las AC2 100.000, mejorando ambas los 40.000 ciclos del lote de control (epoxi). En esta

misma gráfica (número 3), se comprueba que la funcionalización OX funciona peor en

todos los casos.

En la gráfica número 4, aparace el número medio de ciclos que ha aguantado cada

funcionalización de las nanoplaquetas que se añadieron a la resina epoxi del material

laminado. En el caso de las AC1, mejoran respecto al grupo de control (epoxi), además

el intervalo de desviación, es siempre superior al de la resina epoxi pura. En el caso de

las nanoplaquetas AC2, mejoran también, pero al superponerse los intervalos de

desviación, no es una mejora tan evidente.

0

50000

100000

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500000

Epoxi Epoxi+OX Epoxi+AC1 Epoxi+AC2

Núm

ero

de c

iclo

s

Gráfica 4: Número de ciclos de fatiga medio de la resina epoxi sin y con los tres tipos de nanocargas en fatiga a flexión

4. Conclusiones

A lo largo del proyecto se ha conseguido mejorar algunas propiedades mecánicas de

las probetas estudiadas al añadir nanoplaquetas con diferentes funcionalizaciones. En el

caso de las probetas en masa, las propiedades mecánicas de las nanoplaquetas mejoran

con la funcionalización AC2, excepto en el módulo a flexión, pero mirando desde un

punto de vistan global, este tipo de nanoplaquetas ofrece un mejor comportamiento

mecánico en general. Las funcionalizaciones OX y AC1 también son mejores en algunos

escenarios (aunque con pequeño porcentage de mejora), pero empeoran en otros, por lo

que se quedan en un estado neutro. No se puede afirmar que al añadir nanoplaquetas OX

o AC1 las propiedades en general mejoren.

Si hablamos ahora de las probetas laminares, podemos afirmar que las nanoplaquetas

OX son peores en cuanto a comportamiento mecánico frente al resto, debido a que

empeoran en casi todos los parámetros estudiados. Respecto a las otras dos

funcionalizaciones, AC1 y AC2, en los parámetros que se han estudiado mejoran, pero

como no se ha realizado un estudio completo como en el caso de las nanoplaquetas OX,

no se pueden sacar conclusiones. Aunque destacan especialmente la funcionalización

AC1 para material laminar por su buen comportamiento en fatiga.

ADDITION OF GRAPHENE NANOPLATELETS TO MATERIALS BASED ON EPOXI-GLASS FIBER TO IMPROVE THEIR MECHANICAL PROPERTIES

Author: Fernández Villalba, Álvaro

Director: Ballesteros Iglesias, María Yolanda

Collaborating Entity: ICAI - Universidad Pontificia Comillas

Abstract

1. Introduction

The main purpose of this project is the enhancement of the mechanical properties

of epoxy resin based materials reinforced with nanoplatelets of graphene, which have

been improved by the addition of several polymers and variations of the size of the

nanoplatelets itself. The different types of nanoplatelets are called OX, AC1 and AC2.

The base material used is the commercial epoxy resin Resoltech® 1050 with the

solidifier 1058S for the mass specimens used to characterize the material as adhesive.

The base material used is the commercial epoxy resin Resoltech® 1050 with the

solidifier 1058S and glass fiber (fibers orientated to 45º) for the laminar specimens

used to characterize the laminar structural material.

Each kind of specimen (mass and laminar) have an individual fabrication method.

The test that have been performed to check the behavior of these materials have been:

Tensile strength test for both kinds of specimens, mass and laminar

Bending strength test for both kinds of specimens, mass and laminar

Fatigue under tensile stress for the mass specimens

Fatigue under bending stress for the laminar specimens

Interlaminar fracture test for the laminar specimens

Fracture test for the mass specimens

Impact test for laminar specimens

2. Methodology

The methodology adopted for this project has two stages, one first fabrication step

and the following testing step. During the fabrication stage, different shapes and sizes

are taken into account in order to meet the requirements of the norms applied in each

test.

For the tensile strength test and fatigue under tensile stress test, dog bone shaped

specimens were used according to the UNE-EN ISO 6892 norm. For the bending test

of mass specimens, rectangular prism shape based tubes were necessary according to

the UNE-EN ISO 178 norm. For the bending test and the fatigue under bending stress

test for the laminar specimens, rectangular cross section (25 mm width and 2 mm

height) specimens were required. For the fracture test, cylindrical shaped specimens

following the ASTM E1204 norm were used. For the impact test (Charpy) rectangular

prism based specimen based on the UNE-EN ISO 179-1 were required. Finally, for

the interlaminar fracture test, the norm AITM 1-0005 was used.

The manufacturing process of the mass samples is the following:

1. Measure of the amount of each component (epoxy resin, concentrated

nanoplatelets and solidifier) according to the total volume of sample to prepare.

The nanoplatelets will be a 0,2% of the total mass.

2. Mixing of the concentrated nanoplatelets (initially 2,7 %) with the component A

of the resin until achieving a homogenous mixture and later vacuum.

3. Mixing of component B of the epoxy resin (hardener).

4. Molds filling.

5. Thermal treatment in an oven at 60ºC for 16 hours.

6. Mechanizing and manual filing in order to adjust the shape of the specimens to

the norm.

The manufacturing process of the laminar samples is the following:

1. Measure of the amount of each component (epoxy resin, concentrated

nanoplatelets and solidifier) according to the total volume of sample to prepare.

The nanoplatelets will be a 0,2% of the total mass. The ratio among the resin and

the glass fiber is (1:1).

2. Mixing of the concentrated nanoplatelets and the epoxy resin until achieving a

homogenous mixture and vacuum.

3. Mixing of component B of the epoxy resin (hardener).

4. Fabrication of the composite material alternating layers of the glass fiber (6 layers

in total) with resin layers working as adhesive and as de matrix of the composite.

5. Thermal treatment in an oven at 60ºC for 16 hours.

6. Slicing the composite into rectangular 25 mm specimens.

3. Results

For the mass samples at least 5 specimens have been experimented for each test except

for the fatigue test, that 15 have been experimented. For the test of the laminar

composites, 5 samples have been used for the tensile strength test, 5 for the bending stress

test, 6 for the interlaminar fractures test and 6 for bending fatigue test. In every case, all

the materials have been compared to the pure resin.Over the following tables, the

variation percentage over the pure resin is shown for each property individually. The

results are separated by material. In table number 1, the results relative to the mass

specimens are provided. In the table number 2, the results correspond to the laminar

samples.

Mass specimens Epoxy Epoxy +OX Epoxy+AC1 Epoxy+AC2

Young´s modulus (E) in GPa 3,090 +4,80 % +2,00 % +13,00 %

Yield strength (Rp 0,2% ) in MPa 58,21 +3,60 % +4,70% +12,15 %

Tensile strength (Rm) in MPa 60,57 +5,40% +9,26 % + 20,20 %

Flexural strength (Rf) in MPa 98,92 +5,33 % -8,91 % +4,79 %

Flexural modulus (Ef) in GPa 3,650 -11,85 % -5,92 % -10,6 %

Fracture toughness (KI) in MPa ∗ √m 1,48 -18,24 % -5,40 % +12,16 %

Average number of cycles under tensile

fatigue 3690 +180% -40,21% +100%

Table 1: Variation of the mechanical properties of the epoxy resin when different nanoplatelets (OX, AC1 and AC2) are added

Table 2: Variation of the mechanical properties of the laminar GRP when different nanoplatelets (OX, AC1 and AC2) are added

In the plots 1 y 2 the results of the fatigue tensile tests are shown. In the graph number

1 can be seen that the nanoplatelets AC2 have a 50% survival chance of withstanding

5,000 load cycles while the OX and the pure epoxy samples withstand 4,000 cycles for

the same survival chance. The nanoplatelets AC1 show a less ideal behaviour, 2,500

cycles. If we pay attention to the 10 % of survival chance, the nanoplatelets AC!

Withstand 4,500 cycles, the OX 22,000 and the others (epoxy and AC2) fail always.

Laminar specimens Epoxy Epoxy +OX Epoxy+AC1 Epoxy+AC2

Young´s modulus (E) in GPa 2,3500 -3,03 % - -

Yield strength (Rp 0,2% ) in MPa 284,95 -3,85 % - -

Tensile strength (Rm) in MPa 288,26 -2,98 % - --

Flexural strength (Rf) in MPa 365,94 +4,77 % -1,00 % +5,32 %

Fracture toughness (GIc) in KJ/m2 1,88 -24,74 % - -

Average number of cycles under bending

fatigue 108,291 -90% +188% +3,7%

0

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0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000

Survival chance(%

)

Number of cycles until failure

Epoxi

Epoxi+OX

Epoxi+AC1

Epoxi+AC2

Plot 1: Survival chance of the mass specimens under tensile fatigue stresses

In the plot number 2 can be seen that all the nanoplatelets improve but the AC1 in

comparison to the pure resin. The nanoplatelets OX are the only ones that despite their

deviation, are always above the control resin. Talking about the AC2 nanoplatelets, their

deviation range and the one of the resin are similar, so the improvement is not that clear.

Plot 3: Survival chance of the laminar specimens under bending fatigue

0

0,1

0,2

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Survuval chance (%)

Number of cycles until failure

Epoxi

Epoxi+OX

Epoxi+AC1

Epoxi+AC2

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4000

6000

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16000

18000

Epoxi puro Epoxi+ OX Epoxi+AC1 Epoxi+AC2

Ave

rage

num

ber

of c

ycle

s

Plot 2: Number of the average fatigue cycles of the resin without and with the three kinds of nanoplatelets under tensile fatigue tests

In the plot number 3 the results of the bending fatigue tests for the laminar specimens

are shown. The nanoplatelets type AC1 and type AC2 improve in comparison to the sole

epoxy resin when a 50% of chance survival is taken into account. The specimens AC1

withstand 200,000 fatigue cycles and the AC2 100,000 compared to the 40,000 cycles

that the control resin withstands. In the same plot (number 3) can be checked that the OX

nanoplatelets worsen in every survival chance.

In the plot number 4, the average number of fatigue cycles that the several

reinforcements withstood are shown, Regarding the AC1, they improve compared to the

sole epoxy resin. In the case of the AC2, both intervals have a great range of

coincidence, so the improvement is not that clear.

0

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500000


Ave

rage

num

ber

of c

ycle

s

Plot 4: Number of the average fatigue cycles of the resin without and with the three kinds of nanoplatelets under bending fatigue

4. Conclusions

Throughout this project, success have been achieved in enhancing some of the

mechanical properties of the studied specimens with the different functionalizations used.

Talking about the mass specimens, the mechanical properties improve with the AC2

functionalization, but the bending modulus. But looking at it from a global point of view,

this kind of material offers a general improvement. The functionalizations OX and AC1

are also better (although by a small percentage) in some areas but worsen in others, so we

can claim that the OX and AC1 don’t behave good enough.

Regarding the laminar specimens, we can say that the OX nanoplatelets are worse in

their mechanical properties compared to the other. As AC1 and AC2 haven’t been studied

for all the parameters of the project, we cannot claim any conclusion about them. But the

functionalization AC1 outstands for laminar material because of its good behaviour under

bending fatigue tests.

Agradecimientos

En primer lugar me gustaría agradecerle todo su apoyo y su inestimable ayuda a mi

excelente directora de proyecto, la Dra. María Yolanda Ballesteros Iglesias, sin la cual este

proyecto nunca habría salido adelante. Agradecerle también todo lo que han hecho por mí

a Juan Carlos de Real y a Joaquín Tutor Sánchez, gracias por vuestros consejos,

fundamentales para esta empresa. También dar gracias a Jesús Jiménez Octavio por

dedicar parte de su tiempo a revisar el proyecto con detalle e indicarme posibles mejoras.

En segundo lugar pero no menos importante, a mis padres, Jesús y Julia, que aunque

no me han ayudado en la parte técnica, han colaborado en otros apartados igualmente

importantes.

Además de profesores y familiares, también quiero agradecer a mis amigos por todo su

apoyo, soy consciente de que aguantarme a mí no es fácil, pero eso no les ha impedido

estar ahí durante seis meses y ayudar en lo que pudiesen. Muchas gracias a Ramón,

Germán, Rita, Jorge, Emilio, David, Daniel, Ana, Jaime, Laura, Felipe, Álvaro y Néstor.

Mención especial a mis amigos del colegio, los cuales llevan conmigo desde el inicio, mucho

antes de empezar la universidad e incluso este proyecto, si no hubiesen estado a mi lado

no sería ingeniero y no tendría nada que agradecer. Muchas gracias a Luis, Sergio, Beatriz,

Inés, Liliya y Belén. También recordar a mis magníficos profesores Matilde, Pepe, Paco,

Jiménez, Sixto y Guadalupe.

Finalmente pero ni mucho menos secundario, recordar a todas aquellas personas que

me han acompañado de manera más cercana a lo largo de todo el camino, pasando horas,

días y semanas junto a mí en el laboratorio de Química. Muchas gracias a Jorge, a Belén, a

Jaime, a Ariana y a Albert, compañeros de fatiga, de tracción, de flexión, de fractura y de

impacto. Muchas gracias a Fernando, por indicarme mil y una veces dónde estaba cada

cosa y cómo solucionar averías en los equipos. Muchas gracias a Eva, por explicarme como

se realizaban los ensayos, por ayudarme a analizar resultados y en general, por hacer el

trabajo de laboratorio mucho más ameno. Este trabajo tiene una parte de ti en él.

Muchas gracias también a Javier Belda, por enseñarme a sintetizar probetas, moldes y

ayudarme al principio con los ensayos mecánicos.

Mención especial a Raquel Sainz, colaboradora de la universidad y compañera de

quehaceres. Muchas gracias por ayudarme con los ensayos y por todos los resultados que

me has proporcionado. Ha sido un placer trabajar contigo y ojalá nos volvamos a encontrar

en el futuro, pero esta vez, siendo yo ingeniero industrial.

Finalmente, recordar a mis queridos tíos Ángel y María José, pero también a mi familia

en general, gracias por todo vuestro apoyo a lo largo de mi vida. Mención especial a mis

queridísimos abuelos Ángel y Milagros, que en paz descansen. Desgraciadamente no

pudieron asistir físicamente mi graduación, pero estoy completamente seguro de que no se

han perdido ningún detalle desde el Cielo.

Adición de nanoplaquetas de grafeno a materiales compuestos epoxi-fibra de vidrio para mejorar las propiedades mecánicas Escuela Técnica Superior de ingeniería-ICAI

2 Álvaro Fernández Villalba

Índice de contenidos

Capítulo 1: Memoria descriptiva ................................................................................. 9

1.1 Introducción ......................................................................................................... 9

1.2 Motivación ......................................................................................................... 13

1.3 Objetivos del proyecto ....................................................................................... 13

1.4 Estado del arte .................................................................................................. 14

1.4.1 Materiales compuestos ............................................................................... 14

1.4.2 Materiales poliméricos ................................................................................ 16

1.4.2.1 Definición..........................................................................................................16

1.4.2.2 Comportamientomecánicodelospolímeros...................................................17

1.5 Adhesivos .......................................................................................................... 20

1.5.1 Adhesivosepoxi................................................................................................21

1.6 Grafeno .............................................................................................................. 23

1.6.1 Métodosdeobtencióndegrafenomonocapa.................................................24

1.7 Nanoplaquetas de grafeno ................................................................................ 25

1.7.1 Dispersiónencalandra.....................................................................................26

1.7.2 Funcionalizacióndenanomateriales................................................................27

1.8 Mejora de las propiedades mecánicas de GRP con nanocargas ..................... 30

Capítulo 2: Memoria experimental ........................................................................... 38

2.1 Materiales y equipos .......................................................................................... 38

2.2.1 Materiales y útiles empleados .................................................................... 38

2.1.2 Equipos empleados .................................................................................... 41

2.2 Fabricación de las probetas .............................................................................. 44

2.2.1 Probetas en masa ...................................................................................... 44

2.2.2 Probetas laminares ..................................................................................... 49

2.3 Caracterización de propiedades mecánicas de los materiales fabricados ........ 54

2.3.1 Ensayo de flexión a tres puntos ................................................................. 54

2.3.1.1 Términosydefiniciones....................................................................................55

2.3.1.2 Probetas-Formayposicionamiento.................................................................55

2.3.1.3 Cálculodeparámetrosyresultados.................................................................57



2.3.2 Ensayo de tracción ..................................................................................... 58




2.3.3 Ensayo de fractura interlaminar .................................................................. 61




2.3.4 Ensayo de fractura para probetas en masa ............................................... 64


2.3.4.2 Probetas-Formayposicionamiento..................................................................64


2.3.5 Ensayo de impacto (Péndulo Charpy) ........................................................ 66




Capítulo 3: Análisis de resultados ............................................................................ 68

3.1 Resultados de las probetas en masa ................................................................ 68

3.1.1 Ensayodetracción............................................................................................68

3.1.2 Ensayodeflexión..............................................................................................73

3.1.3 Ensayodefatiga................................................................................................76

3.1.4 Ensayodefractura............................................................................................80

3.2 Resultados de las probetas laminares .............................................................. 83

3.2.1 Ensayodetracción............................................................................................83

3.2.2 Ensayodeflexión..............................................................................................86

3.2.3 Ensayodefatiga................................................................................................90

3.2.4 Ensayodefracturainterlaminar.......................................................................93

3.2.5 Ensayodeimpacto............................................................................................95

3.3 Resumen de resultados ..................................................................................... 96

3.3.1 Probetasenmasa.............................................................................................96

3.3.2 Probetaslaminares...........................................................................................96

Capítulo 4: Conclusiones ......................................................................................... 97

5. Bibliografía ........................................................................................................... 99



Índice de Gráficas

Gráfica 1 : Módulo de elasticidad de la resina epoxi con y sin los tres tipos de

nanocargas ............................................................................................................... 71

Gráfica 2 : Límite elástico de la resina epoxi con y sin los tres tipos de nanocargas

.................................................................................................................................. 71

Gráfica 3: Resistencia a la tracción de la resina epoxi con y sin los tres tipos de

nanocargas ............................................................................................................... 72

Gráfica 4: Módulo a flexión de la resina epoxi con y sin los tres tipos de nanocargas

.................................................................................................................................. 74

Gráfica 5: Resistencia a la flexión de la resina epoxi con y sin los tres tipos de

nanocargas ............................................................................................................... 75

Gráfica 6: resistencia en fatiga a tracción al 50% de la carga máxima para probetas

en masa .................................................................................................................... 78

Gráfica 7: Número de ciclos de fatiga medio de la resina epoxi sin y con los tres

tipos de nanocargas ................................................................................................. 78

Gráfica 8: Tenacidad a la fractura de la resina epoxi sin y con los tres tipos de

nanocargas ............................................................................................................... 81

Gráfica 9: Módulo de elasticidad de la resina epoxi laminar sin y con nanocargas

OX en tracción .......................................................................................................... 84

Gráfica 10 Límite elástico de la resina epoxi laminar sin y con nanocargas OX en

tracción ..................................................................................................................... 85

Gráfica 11: Resistencia a la tracción de la resina epoxi laminar sin y con

nanocargas OX en tracción ...................................................................................... 85

Gráfica 12 : Resistencia a la flexión de la resina epoxi con y sin nanocargas OX

laminar ...................................................................................................................... 87

Gráfica 13: Resistencia a la flexión de la resina epoxi laminar sin y con los tres

tipos de nanocargas OX en flexión .......................................................................... 89

Gráfica 14: resistencia en fatiga a tracción al 50% de la carga máxima para

probetas en masa ..................................................................................................... 91

Gráfica 15: Número de ciclos de fatiga medio de la resina epoxi sin y con los tres

tipos de nanocargas ................................................................................................. 92

Gráfica 16: Fuerza respecto a la propagación de la grieta en probetas laminares

blancas ..................................................................................................................... 93



Gráfica 17: Fuerza respecto a la propagación de la grieta en probetas laminares OX

.................................................................................................................................. 94

Gráfica 18: Comparativa entre la energía absorbida por los dos materiales. .......... 95



Índice de tablas

Tabla 1: ventajas e inconvenientes de las uniones adhesivas. ................................ 21

Tabla 2: ventajas y aplicaciones de las resinas epoxi como adhesivo estructural ... 22

Tabla 3: Descripción del contenido de cada funcionalización. ................................. 35

Tabla 4 : densidad de la resina epoxi Resoltech® 1050 y del endurecedor 1058S .. 38

Tabla 5: micrografía de las nanoplaquetas AC1 y AC2 ........................................... 39

Tabla 6: Dimensiones recomendadas para el ensayo de impacto de probetas

laminares y en masa ................................................................................................ 67

Tabla 7 : datos desglosados de las magnitudes medidas en el ensayo de tracción

del grupo de control .................................................................................................. 69

Tabla 8: datos desglosados de las magnitudes medidas en el ensayo de tracción

del grupo OX. ........................................................................................................... 69


del grupo AC1 .......................................................................................................... 70


del grupo AC2 .......................................................................................................... 70

Tabla 11: Porcentaje de variación respecto al control de los tres tipos de

nanocargas en tracción ............................................................................................ 72

Tabla 12: datos desglosados de la resistencia y el modulo a flexión del grupo de

control ....................................................................................................................... 73

Tabla 13: datos desglosados de la resistencia y el modulo a flexión del grupo OX 73

Tabla 14: datos desglosados de la resistencia y el modulo a flexión del grupo AC1

.................................................................................................................................. 73


.................................................................................................................................. 74


nanocargas en flexión .............................................................................................. 75

Tabla 17: Datos de las probetas de control y número de ciclos de fatiga antes de

rotura ........................................................................................................................ 76

Tabla 18: Datos de las probetas OX y número de ciclos de fatiga antes de rotura . 76

Tabla 19: Datos de las probetas AC1 y número de ciclos de fatiga antes de rotura 77

Tabla 20: Datos de las probetas AC2 y número de ciclos de fatiga antes de rotura.

.................................................................................................................................. 77

Tabla 21 : Resultados desglosados de fractura del grupo de control ...................... 80



Tabla 22 : Resultados desglosados de fractura del grupo OX ................................. 80

Tabla 23 : Resultados desglosados de fractura del grupo AC1 ............................... 80

Tabla 24 : Resultados desglosados de fractura del grupo AC2 ............................... 81

Tabla 25 Porcentaje de variación respecto al control de los tres tipos de nanocargas

en fractura ................................................................................................................ 82


.................................................................................................................................. 83


.................................................................................................................................. 83

Tabla 28: Porcentaje de variación respecto al control de las nanoplaquetas OX de

probetas laminares en tracción ................................................................................ 85

Tabla 29: datos y resultados desglosados de las magnitudes medidas en el ensayo

de flexión del grupo de control laminar .................................................................... 86


de flexión del grupo OX laminar ............................................................................... 86


de flexión del grupo de control laminar (ICAI) .......................................................... 87

Tabla 32 datos y resultados desglosados de las magnitudes medidas en el ensayo

de flexión del grupo OX laminar (ICAI) ..................................................................... 88


de flexión del grupo AC1 laminar (ICAI) ................................................................... 88

Tabla 34 datos y resultados desglosados de las magnitudes medidas en el ensayo

de flexión del grupo AC2 laminar (ICAI) ................................................................... 88


nanoplaquetas laminares en flexión ......................................................................... 89

Tabla 36 Datos de las probetas de control y número de ciclos de fatiga antes de

rotura ........................................................................................................................ 90

Tabla 37: Datos de las probetas OX y número de ciclos de fatiga antes de rotura . 90



Tabla 40: Resultados desglosados de fractura interlaminar del grupo de control ... 93

Tabla 41: Resultados desglosados de fractura del grupo OX .................................. 94

Tabla 42: Porcentaje de variación respecto al control de nanoplaquetas OX

laminares en fractura interlaminar ............................................................................ 94



Tabla 43: Resultados desglosados de energía absorbida del grupo de control

laminar en el ensayo Charpy .................................................................................... 95

Tabla 44: Resultados desglosados de energía absorbida del grupo OX laminar en el

ensayo Charpy ......................................................................................................... 95



Capítulo 1: Memoria descriptiva

1.1 Introducción

En los últimos años, el interés por el medio ambiente se ha visto incrementado

de manera exponencial, principalmente debido a las consecuencias, ahora visibles,

que sufre el planeta y por extensión nosotros. Ante esta cuestión, se buscan nuevas

maneras de innovar, por lo que surgen nuevos campos de investigación a la vez

que instituciones de todo tipo intentan concienciar a la población.

Dentro de esos nuevos campos de investigación, se encuentra la búsqueda de

nuevos materiales que mejoren las propiedades de los materiales convencionales,

de manera que permita disminuir el peso de las estructuras, por ejemplo en

vehículos, lo cual supone un ahorro de combustible y una reducción de las

emisiones contaminantes. Empresas punteras del sector como General Motors,

llevan desde 1953 experimentando con este tipo de materiales e incluyéndolos en

diferentes modelos. En la figura 11 se aprecia un ejemplo de automóvil en el que se

utilizó fibra de vidrio a la hora de realizar el chasis.

1 Imagen obtenida de Wikipedia Commons 3.0. (Courtesy: Eigenes Bild).

Figura 1: Chevrolet Corvette (1954)



Los nuevos materiales compuestos, ofrecen una amplia capacidad de mejora,

destacando entre otras cosas por su alto grado de personalización en función de

las necesidades específicas de cada sector. Aportando cifras más concretas, con

una reducción de 100 Kg en la masa total del coche, se consigue ahorrar una media

de 0,31 litros de combustible cada 100Km, que traducidos son 8,5g de CO2 menos

emitidos al aire[1]. De estos datos se deriva otra ventaja de los materiales

compuestos, la sostenibilidad, reforzando su compromiso con el medio ambiente.

No solo el transporte por carretera se beneficia de estos materiales, sino que el

transporte aéreo también recurre a las excelentes propiedades que pueden ofrecer.

Empresas como Airbus, emplean cada vez una mayor cantidad de materiales

compuestos a la hora de fabricar sus aviones, lo que reduce su peso total,

reduciendo indirectamente también el consumo y las emisiones de CO2 y NOx

(óxido nítrico).

En la figura 2, se aprecia la composición del modelo A380 de Airbus, en la cual

los materiales reforzados con fibras cobran un gran protagonismo. Destacar

Figura 2: Composición de las distintas partes del Airbus A380 [2]



especialmente las partes que contienen fibra de vidrio, pues en este proyecto se

estudia el comportamiento de este material con detalle.

Desde principios del siglo XX se han sintetizado materiales compuesto con base

polimérica, pero no fue hasta principios de 1970 cuando se empezaron a emplear

comercialmente. En la figura 3, se muestra la evolución de la utilización de

composites en aviones comerciales desde 1970 hasta 2015, donde se ha superado

la barrera del 50% del peso total de avión.

Además, los materiales compuestos también son interesantes para otro tipo de

sectores, por ejemplo, en los aerogeneradores, en los cuales los álabes están

fabricadas con composites. Mejorar el comportamiento de estos materiales frente a

distinto tipo de cargas es el objetivo de muchos laboratorios en la actualidad.

Al tiempo que aumenta el empleo de materiales compuestos, surge la

necesidad de búsqueda de formas sencillas y fiables de unión de los mismos,

distintas a las clásicas de unión de materiales metálicos. La soldadura de

materiales compuestos no es posible y el empleo uniones atornilladas o remaches

requiere la presencia de taladros en la estructura, que debilita y puede ser el origen

de grietas de fatiga. Por ello, la investigación en el mundo de las uniones entre

materiales compuestos, se centra en el uso de adhesivos estructurales.

Cuando se realizan uniones mediante adhesivos, el fallo, de producirse, debe

estar localizado en este material (fallo cohesivo) y no entre la zona de unión

Figura 3: Evolución de la aplicación de composites en la fabricación de aviones. [3]



sustrato-adhesivo (fallo adhesivo). Por ello, caracterizar el comportamiento de la

resina con nanoplaquetas sin ningún tipo de fibra añadida es muy necesario, al fin

de determinar su aplicabilidad como adhesivo. Para llevar a cabo esta tarea, se

fabricarán probetas en masa para los distintos ensayos mecánicos.

La meta principal de este proyecto consiste en mejorar las propiedades

mecánicas de materiales compuestos reforzados con fibra de vidrio ,también

conocidos como “GRP” (Glass Reinforced Plastic) en la literatura anglosajona y de

la resina epoxi a fin de poder ser empleados como material estructural y adhesivo

estructural. Para lograrlo, la resina que sirve como unión entre las diferentes capas

de los GRP incluye nanoplaquetas de grafeno.

Tradicionalmente, el GRP tiene buen comportamiento frente a cargas de tensión

y compresión, siendo su punto más débil su comportamiento frente a cargas

dinámicas (fatiga). Un claro ejemplo, mencionado anteriormente, de la necesidad de

un buen comportamiento en fatiga es el viento al que se someten los álabes de un

aerogenerador, que es de naturaleza variable.

Tratando de solventar este problema, se intenta combinar el GRP con otros

materiales, en este caso, nanomateriales base carbono. Estudios anteriores, han

confirmado que varias plaquetas de grafeno superpuestas mejoran en un mayor

orden de magnitud los GRP respecto al empleo de nanotubos. Por lo tanto, se

plantea como objetivo de este proyecto el estudio del comportamiento de los

laminados GRP con resina reforzada con nanoplaquetas de grafeno.

Una vez fabricadas las probetas de material compuesto y adaptadas a la norma

vigente, se realizarán distintos ensayos mecánicos para caracterizar el material. Los

ensayos serán: tracción, flexión, fractura (tanto laminar como de impacto) y fatiga.



1.2 Motivación

Dentro de la vanguardia en la Ciencia de Materiales, se encuentra el grafeno.

Un material novedoso que sorprende por sus excelentes propiedades mecánicas y

eléctricas, por lo que no es de extrañar que haya surgido un gran interés en la

industria por este material.

Este proyecto tiene como fin el obtener materiales compuestos de matriz

polimérica epoxi reforzados con partículas de base carbono mediante procesos de

fabricación que puedan ser viables a gran escala. Se estudiará el comportamiento

del material en masa (resina epoxi con nanoplaquetas de grafeno) y del compuesto

laminado (resina epoxi con láminas de fibra de vidrio y nanoplaquetas de grafeno).

Una vez optimizados los procesos de fabricación de los dos tipos de materiales

nanocargados, se estudiarán las propiedades mecánicas para distintas

proporciones de sus componentes. Las aplicaciones útiles de estos nuevos

materiales son muy numerosas, como se ha mencionado con anterioridad, en las

energías renovables, y más concretamente en la energía eólica, estos materiales

representan un gran avance en cuanto a la fabricación de componentes. Esto último

es extrapolable a otros sectores, como por ejemplo, el aeronáutico, donde se

requiere poco peso y mucha resistencia a esfuerzos y en general a todos a todos

los vehículos de transporte, a los que aporta además buena capacidad de

absorción de energía durante el impacto.

1.3 Objetivos del proyecto Los objetivos que se pretenden alcanzar a lo largo del proyecto son los siguientes:

• Mejorar el comportamiento de la resina epoxi como adhesivo estructural al

añadir nanoplaquetas de grafeno.

• Comprobar qué tipo de funcionalización de las nanoplaquetas, entre las tres

seleccionadas, se comporta mejor respecto a los diferentes tipos de

solicitaciones.

• Mejorar el comportamiento de los GRP como material estructural al añadir

nanoplaquetas de grafeno.

• Comprobar qué tipo de funcionalización de las nanoplaquetas, entre las tres

seleccionadas, se comporta mejor respecto a los diferentes tipos de

solicitaciones en los GRP.



1.4 Estado del arte

La cantidad de materiales que han sido reforzados con nanopartículas es muy

alta. Ese tipo de refuerzo es tan popular debido al alto grado de libertad que tiene,

se pueden variar tanto las concentraciones como el tipo de carga. Este hecho

permite que el campo de investigación en este ámbito sea muy amplio. Este

proyecto, sin embargo, se centra en materiales con base polimérica reforzados con

nanocargas basada en carbono, disponiendo de varios tipos de funcionalizaciones

de la nanocarga. Dentro de los materiales compuestos, distinguimos los que van a

ser estudiados en este proyecto:

• Materiales con resina epoxi y nanoplaquetas dispersas

• Materiales laminares con resina y fibra de vidrio

1.4.1 Materiales compuestos

Los materiales compuestos se definen como aquellos que se forman a partir de

dos o más componentes, adquiriendo unas propiedades que son una combinación

de las de los originales. Normalmente esas propiedades mejoran en algún aspecto

respecto a las de los materiales base por separado.

Existen multitud de materiales compuestos, que se pueden clasificar

atendiendo a su composición o incluso a su campo aplicación. En la figura 4, se

puede apreciar una clasificación muy visual, una división de los materiales

compuestos en función del tipo de refuerzo.

Figura 4 : Clasificación de los materiales compuestos



Los materiales compuestos están formados por dos componentes

principalmente, uno que se considera el material base, que es la matriz y otro que

se añade denominado refuerzo.

• Matriz: material base que aloja los refuerzos y cuyas propiedades buscan

ser modificadas. Normalmente se caracteriza por ser más blanda y dúctil

que el material con el que se pretende reforzar. Es el material continuo y que

se encuentra rodeando al refuerzo.

• Refuerzos: elementos que varían las propiedades de la matriz

mejorándolas. Es el material discontinuo.

A su vez, existen diferentes configuraciones en las que se pueden presentar los

refuerzos:

• Partículas: el refuerzo está formado por partículas de un material. Un

ejemplo de este tipo de refuerzo son las nanoplaquetas, los nanotubos, las

partículas de sílice y otros. Está partículas deben ser dispersas en la matriz,

resultando el nivel de dispersión determinante en las propiedades finales.

• Fibras: el refuerzo adopta la forma de fibras de alta resistencia como

pueden ser la fibra de vidrio o la fibra de carbono. También se emplean hoy

en día muchas fibras naturales como las fibras de coco. Las fibras pueden

tener una orientación definida o ser aleatoria.

• Materiales estructurales: son materiales multicapa de gran integridad

estructural y rigidez. Sus propiedades, no solo dependen de los materiales

que lo forman, sino también de la geometría del elemento estructural. Los

materiales estructurales más comunes son los laminares y los paneles tipo

sándwich.

Una vez más, recordar al lector que en este proyecto, los materiales que se van

a estudiar son la resina epoxi como base polimérica reforzada con nanoplaquetas

base carbono dispersas y un composite laminado formado por la resina epoxi como

adhesivo y capas de fibra de vidrio.



1.4.2 Materiales poliméricos

1.4.2.1 Definición

Los polímeros son estructuras compuestas por un número indefinido de

monómeros, que son las unidades lineales o ramificadas que forman las estructuras

poliméricas. Estas estructuras normalmente están formadas por una rama principal

de carbonos unidos entre sí por enlaces covalentes. Otros elementos que se

pueden encontrar son oxígeno, hidrógeno y nitrógeno.

Los polímeros de cadena larga tienen pesos moleculares muy grandes, este

peso molecular no se distribuye uniformemente a lo largo de toda la cadena, por lo

que se suele hablar de un peso molecular medio (M#). Este peso molecular se

puede obtener a partir de varias propiedades físicas, como son la viscosidad2 y la

presión osmótica3. Otra forma de definir el peso molecular medio, es a través del

grado de polimerización (DP), que es el número de repeticiones de monómero en la

cadena polimérica. Ambos parámetros se relacionan mediante la siguiente

ecuación, donde m es el peso molecular de cada monómero [1].

%& = )*

+

La longitud de un polímero, su forma molecular y su estructura influyen de una

manera bastante significativa en sus propiedades. Las estructuras moleculares más

frecuentes son:

• Polímeros lineales

• Polímeros ramificados

• Polímeros entrecruzados

• Polímeros reticulada

2 Viscosidad: propiedad de los fluidos que caracteriza su resistencia a fluir, debida al rozamiento entre sus moléculas. 3 Presión osmótica: presión que ejercen sobre el tabique semipermeable las sustancias entre las cuales se produce la ósmosis.



Los enlaces que mantienen la cadena polimérica afectan al comportamiento que

tienen estos materiales con respecto a la temperatura, pudiéndose clasificar en :

• Termoplásticos: aquellos que con la temperatura se vuelven blandos,

endureciéndose una vez que se enfrían. Este proceso es reversible y puede

repetirse tantas veces como se quiera. Este comportamiento tiene su

explicación en la disminución de la fuerza que enlaza los átomos con la

temperatura, lo que facilita el movimiento relativos entre las cadenas. Su

estructura suele ser lineal.

• Termoestables: estos polímeros no se ven afectados por la temperatura.

Los enlaces covalentes son capaces de resistir las vibraciones provocadas

por la temperatura. Su estructura es siempre reticulada.

• Elastómeros: polímero termoestable caracterizado por su alta elasticidad.

1.4.2.2 Comportamiento mecánico de los polímeros 1.4.2.2.1 Ensayo de tracción

El ensayo de tracción en los polímeros nos permite obtener el módulo de

elasticidad, el límite elástico, su resistencia a la tracción y el alargamiento

porcentual a rotura (A%). Los resultados en los diferentes ensayos vienen

condicionados por la velocidad de deformación, la temperatura y la composición

química del medio. Además, normalmente hay que mecanizar las probetas para

adecuarlas a la forma exigida por el ensayo y la norma vigente.

Se diferencian tres tipos de comportamientos mecánico frente a la deformación:

frágil (curva A), elástico-plástico (curva B) y elástico (curva C). El comportamiento

elástico es característico de los elastómeros, polímeros que sufren grandes

deformaciones con esfuerzos pequeños. En la figura 5 se muestran las gráficas

tensión deformación típicas según el tipo de polímero .



En los polímero frágiles, todas su deformación ocurre en la zona lineal y es

elástica, siendo el punto de tensión máxima, el que se conoce como límite elástico

(Rp). En los materiales que presentan deformación elástica y plástica, el punto de

rotura no se corresponde con el límite elástico. Además aparece un nuevo

parámetro, la tensión máxima (Rm).

1.4.2.2.2 Fractura

La resistencia a la fractura de los materiales poliméricos suele ser más baja en

comparación con los metales y los materiales cerámicos. Las grietas se forman en

zonas donde existe una concentración de esfuerzos (fisuras y muescas). Al igual

que en los metales, los esfuerzos se magnifican en la punta de la grieta, lo que

favorece su propagación [1].

En los polímeros termoplásticos, es posible tanto la fractura dúctil como la

fractura frágil, pudiendo experimentar una transición de una a otra variando la

temperatura. Los factores que determinan el tipo de fractura al realizar un ensayo,

son los siguientes:

• Temperatura

• Velocidad de la deformación

• Entallas

• Dimensiones de la probeta

Figura 5: comportamiento esfuerzo-deformación de los polímeros [1].



1.4.2.2.3 Resistencia al impacto

En muchas aplicaciones, resulta de interés saber cómo se comportan los

materiales ante un eventual impacto, como por ejemplo en el sector automovilístico

al producirse un accidente. Puesto que a mayor energía absorbida por la estructura

del vehículo, menos energía es recibida por los ocupante, de esta forma se evitan

posibles lesiones Esta propiedad mecánica se suele obtener mediante la realización

de un ensayo de Charpy [1].

1.4.2.2.4 Fatiga

Los polímeros pueden experimentar fallos como consecuencia de cargas

cíclicas. El comportamiento a la fatiga de los polímeros es mucho más sensible a la

frecuencia de carga que los metales. Altas frecuencias con cargas elevadas pueden

llevar al sobrecalentamiento del material, por lo que el fallo no se produce por los

procesos de fatiga típicos.

Puesto que la resina epoxi, que será la base de los materiales fabricados en

este proyecto, es un polímero termoestable, los ensayos que se llevarán a cabo

serán los que nos permitan caracterizar su comportamiento mecánico frente a

cargas de tracción, flexión, impacto, fatiga y fractura [1].



1.5 Adhesivos

Una de las aplicaciones más importantes y más populares de las resinas epoxi

es como método de unión entre dos sustratos de forma permanente. Los adhesivos

se pueden encontrar inicialmente en dos fases: en fase líquida o en fase sólida.

Aquellos que se presentan en fase líquida, mantienen este estado durante su

aplicación y posteriormente solidifican en un proceso denominado curado, en

presencia de un catalizador. El proceso de curado afecta a las propiedades del

adhesivo. [2]

Existen dos métodos diferentes de adhesión que dependen de la naturaleza

tanto del adhesivo en si como de los sustratos que se pretenden unir:

• Cohesiva: la unión se produce mediante dos moléculas adhesivas, es decir

dos moléculas se unen entre si activamente.

• Adhesiva: la unión se produce entre una molécula adhesiva y una superficie

adherente. En este caso la molécula se adhiere activamente a la superficie y

no en el otro sentido.

Una vez completado el proceso de unión, el adhesivo y los sustratos deben

actuar como un único sólido rígido. Al someter ese sólido a esfuerzos, se considera

que la unión es correcta cuando el fallo o rotura se produce en el propio adhesivo y

no entre éste y uno de los sustratos. En la figura 6, se muestran las diferentes

posibilidades a la hora del fallo en una unión, siendo la denominada como “fallo

cohesivo” la única aceptable.

En la tabla 1, se exponen ventajas e inconvenientes de los adhesivos frente a los

métodos de unión tradicionales.

Figura 6: Modos de fallo en un unión adhesiva/cohesiva. [3]

Fallo adhesivo

Fallo intermedio

Fallo cohesivo

Fallo de sustrato



La propiedad del adhesivo que determina el tipo de fallo es el grado de

humectación. Esta propiedad inherente al material, expresa la capacidad que tiene

el adhesivo de empapar la superficie del sustrato y unirse a él. El grado de

humectación depende de la tensión superficial del adhesivo, que determina las

fuerzas de atracción de las moléculas de un líquido entre sí y de la energía

superficial del adherente, que mide la capacidad de atracción del adhesivo sobre el

adherente. Para que la unión sea efectiva, la energía de superficie debe ser mayor

a la tensión superficial, y de este modo las moléculas del adherente atraigan a las

del adhesivo [2].

1.5.1 Adhesivos epoxi

Las primeras resinas epoxi fueron sintetizadas por Schlack (1934) en Alemania

antes de la Segunda Guerra Mundial, pero no fue hasta que finalizó el conflicto

cuando se comenzaron a utilizar.

El material de partida es el Bisfenol-A que reacciona con la epoclorhidrina para

dar un líquido compuesto por cadena de grupos epoxi. Los epoxi comerciales,

distribuidos en dos componentes, que podemos encontrar en el mercado, utilizan

como agente de curado las Versamidas, que presentan menos problemas respecto

a las aminas en cuanto a olores. Una vez solidificadas, las resinas epoxi se deben

someter a un curado a elevada temperatura posterior para conseguir las

propiedades deseadas. Sin ese tratamiento térmico posterior, solo se alcanzaría un

60% de la resistencia total [2].

Ventajas Inconvenientes

-Unión continua y estanca -Preparación de las superficies

-Mayor resistencia a la fatiga -Menor resistencia térmica

-Menor peso -Tiempo de curado

-Unión de materiales no soldables -Menor resistencia por unidad e superficie

-Evita la corrosión galvánica

Tabla 1: ventajas e inconvenientes de las uniones adhesivas.



Las resinas epoxi siguen generalmente la siguiente reacción química (figura 7):

Tabla 2: ventajas y aplicaciones de las resinas epoxi como adhesivo estructural

Propiedades Aplicaciones • Adherencia a casi todo tipo de

sustratos • Adhesivos estructurales para la industria

aeronáutica

• Gran relleno de Holguras • Fabricación de composites

• Mecanizables • Electrónica (circuitos impresos, encapsulación…)

• Alta resistencia a tracción y cizalladura

• Recubrimientos superficiales

Grupo epoxi

Figura 7: cadena polimérica de la resina epoxi [2]



1.6 Grafeno

El grafeno es un material bidimensional, se adopta esta consideración porque cada lámina está constituida por un espesor de un único átomo de carbono. El conjunto de todos los átomos de carbono se distribuye en una red similar al panel de una abeja, como se aprecia en la figura 6. Al igual que el grafito y el diamante, se trata de una variedad alotrópica4 del carbono [4].

Cada vértice del hexágono es una átomo de carbono que forma 120º y cada lado tiene una longitud de 142 picómetros [4]. Las excelentes propiedades de este material se pueden explicar gracias a su hibridación sp2 situándose el electrón restante en un orbital p perpendicular al plano que forma la capa de grafeno.

El grafeno de una sola capa fue obtenido por primera vez por los físicos Kostya Novoselov y Andre Geim en la Universidad de Manchester, descubrimiento que les otorgaría el Premio Nobel de Física en el año 2010 [5].

Algunas de las excelentes propiedades del grafeno son: su alta conductividad eléctrica, del orden de 106 S/m y su capacidad de autoreparación de la red. Estudios sobre esta propiedad fueron llevados a cabo bombardeando la red con átomo de carbono puro [6]. De todas las propiedades que se pueden atribuir al grafeno, es necesario centrase en la propiedades mecánicas, puesto que en este proyecto son las que se estudiarán al añadir nanocarga ,basada en el grafeno, al material base. En cuanto a sus propiedades mecánicas, el grafeno presenta un Módulo de Young (E) del orden de 1TPa [7] La comparación que es realizada en este caso es con acero, que posee un módulo de 210 GPa. Si de nuevo se emplea el espesor de una capa de grafito para extrapolar estos valores al ámbito tridimensional, se obtiene una resistencia del grafeno de aproximadamente 100 veces superior a la del acero.

4 Alotropía : Propiedad de algunos elementos químicos, debido a la cual pueden presentarse con estructuras moleculares distintas.

Figura 8: distribución del grafeno monocapa [4]



1.6.1 Métodos de obtención de grafeno monocapa

Existen varias técnicas que han ido evolucionando estos últimos años para abaratar considerablemente el coste de fabricación y para evitar la principal complicación que se da en el proceso. Ésta es el hecho de que no es viable, más allá de para muestras de muy pequeñas dimensiones, realizar directamente el crecimiento del grafeno. Esto se debe a que su característica estructura laminar, a medida que crece, trata de disminuir su energía superficial e inevitablemente acaba desarrollándose en una estructura tridimensional, que es mucho más estable, resultando en un mero hollín [8].

Los distintos procesos se agrupan según su enfoque:

• Reducción de grafito hasta lograr la obtención de una sola capa de grafeno, la exfoliación química permite obtener a gran escala óxido de grafeno (GO-) y óxido de grafeno reducido (rGO-)

• Crecimiento de ésta, mediante la deposición de carbono sobre la superficie de otro material. Con este principio de funcionamiento destaca la tecnología de deposición química de vapor (CVD).

1.6.1.1 Exfoliación

Este procedimiento consiste en reducir una muestra hasta lograr que esta esté

compuesta por muy pocas capas. Este proceso puede llevarse a cabo de manera

mecánica o física.

• Exfoliación Mecánica: este fue el procedimiento empleado originalmente en

el 2004 por Geim y Novosolev, quienes exfoliaron una cinta de celo y

depositaron las finas capas resultantes sobre una oblea de silicio.

• Exfoliación Química. es la técnica empleada por NANNOINNOVA

Technologies S.L (empresa que suministra las nanoplaquetas empleadas en

este trabajo) consiste en romper los enlaces interlaminares del grafito

mediante vibración mecánica o sonicación. Se denomina exfoliación

química, no obstante, por los agentes químicos de naturaleza surfactante o

tensoactiva que se introducen entre las capas de grafeno que integran la

macromolécula de grafito para evitar que se vuelvan a unir al cesar la

vibración [8].



1.6.1.2 Deposición Química de Vapor La Deposición Química de Vapores (CVD), consistente en hacer circular un elemento volátil (en el caso estudiado, generalmente un hidrocarburo) que se calienta hasta que es forzado a reaccionar y a depositarse sobre un sustrato para obtener el producto deseado con un elevado grado de pureza y un excelente control del espesor final. Mediante esta técnica se logra fabricar no sólo el grafeno, sino también desde nanotubos de carbono, nitruros y carburos de silicio hasta diamantes sintéticos.

1.7 Nanoplaquetas de grafeno

Las nanoplaquetas de grafeno son partículas de dos dimensiones que se

utilizan para complementar un material base de matriz polimérica, siendo su

espesor entre 5 y 25 nanómetros. Están formadas por varias capas de grafeno

unidas entre sí por fuerzas de Van der Waals muy fuertes. En contraposición a los

nanotubos, las nanoplaquetas representan una forma mucho más económica de

mejorar las propiedades de un material [9].

Las nanoplaquetas de grafeno se caracterizan por sus excelente propiedades,

como pueden ser su módulo de elasticidad del orden de 1TPa, su resistencia a la

tracción (130 GPa) , su gran superficie de contacto y su gran estabilidad química.

Las nanoplaquetas representan una mejor alternativa a los nanotubos dado que su

Figura 9 : morfología de las nanoplaquetas de carbono [9]



transmisión de esfuerzos entre la matriz y las plaquetas es mejor debido a la alta

superficie de contacto existente entre ellos. Sin embargo, la dispersión es uno de

los principales inconvenientes.

La dispersión de las nanoplaquetas en la resina es la verdadera clave del éxito,

siendo la situación óptima el modelo de dispersión uniforme. Los métodos de

dispersión más usuales son : ultrasonidos, dispersión en calandra y el mezclado de

alta cizalladura.

En el presente proyecto se ha empleado la calandra como método de

dispersión de las nanoplaquetas en la resina epoxi.

1.7.1 Dispersión en calandra

Dentro de los métodos de dispersión mecánica de nanopartículas destaca la

calandra. El principio de funcionamiento de esta máquina consiste en un sistema de

rodillos o cilindros adyacentes –generalmente tres- que giran a diferentes

velocidades e introducen grandes esfuerzos de cortadura en el material. El primer

rodillo y el tercero –que reciben el nombre de rodillo alimentador y de recogida

respectivamente- giran en el mismo sentido, mientras que el rodillo central gira en

sentido opuesto [10] [11].

Durante el funcionamiento de la calandra, el material se deposita entre los dos primeros rodillos y se adhiere al rodillo central, que lo transporta hasta el rodillo de recogida. El grado de mezclado de la matriz y la nanocarga está controlado por tamaño del hueco entre los rodillos a través del cual pasa la mezcla ,que puede oscilar entre 500 y 5 μm y por la velocidad angular de los rodillos.

Las principales ventajas de este proceso son:

• La ausencia de un agente solvente • La facilidad para controlar la separación de los rodillos ,ya sea de forma

mecánica o hidráulica. • La posibilidad de realización a gran escala.



Sin embargo existen ciertos inconvenientes, entre los que destacan:

• La separación mínima de los rodillos oscila entre 1 y 5 μm, que es comparable a la longitud de los nanotubos pero es mucho mayor que su diámetro, por lo que resulta difícil que puedan separarse nanotubos de forma individual. �

• Las matrices deben encontrarse en un estado viscoso cuando se mezclen

con las nanopartículas, por lo que el proceso no debe usarse para dispersar

nanocargas en matrices termoplásticas, solo termoestables.

1.7.2 Funcionalización de nanomateriales

La funcionalización se utiliza para mejorar la interacción de un tipo de nanocarga con otros elementos, en este caso, matrices poliméricas y fibra de vidrio. Los átomos de carbono situados en las paredes de las naoplaquetas son químicamente estables debido a la naturaleza aromática 5 de los enlaces. Como resultado de esto, las nanocargas son inertes y pueden actuar con la matriz principalmente a través de fuerzas de van der Waals, que por lo general son insuficientes para favorecer la transferencia de carga eficiente entre la nanocarga y la matriz. Por tanto, la adición de estas nanocargas puede llegar a empeorar las propiedades mecánicas del material compuesto a nivel macroscópico [11].

Para solventar este contratiempo se han desarrollado varios métodos para modificar las propiedades superficiales de las nanopartículas. Estos métodos se clasifican en métodos químicos y métodos físicos.

1.7.2.1 Funcionalización química

La funcionalización química se basa en la construcción de vínculos químicos mediante enlaces covalentes entre las nanocargas y los elementos funcionales. La unión de estos elementos funcionales con la matriz polimérica constituye una de las soluciones más eficientes para la formación de una interfaz fuerte.

Para llevar esto a cabo se realiza una modificación química de las nanocargas de carbono de forma que existan grupos funcionales en su pared y extremos que

permitan la creación de enlaces entre la matriz polimérica y éstos. 5 Naturaleza aromática: compuesto orgánico cíclico conjugado que posee una mayor estabilidad debido a la deslocalización electrónica en enlaces π



El proceso puede llevarse a cabo mediante la reacción de algunas moléculas con alta reactividad química que sustituyen átomos de carbono de la pared de las nanocargas por átomos de flúor, bromo, nitrógeno, cloro, bromo , hidrógeno, silicio…. [12]

Otra alternativa es la utilización de tratamientos de oxidación para generar grupos carboxílicos cuya función es reaccionar con, por ejemplo aminas, mediante una reacción ácido/base. Los grupos amino sirven para formar enlaces con la matriz polimérica mejorando la transferencia de carga. Los tratamientos de oxidación recientes incluyen: NaOH, NaHCO3, Na2CO3, H2SO4, NH4HCO3,

(NH4)2CO3, HNO3, H3PO4, NaHCO3 y mezclas de gases F2-O2, mientras que los grupos funcionales más comunes incluyen los grupos carboxilo, hidroxilo, carbonilo y carboxílico entre otros [13].

Una variante del proceso tradicional reside en aprovechar defectos existentes en la pared de las nanocargas que constituyen puntos de “amarre” para los grupos funcionales.

Los principales inconvenientes de la funcionalización química son:

• Durante la reacción de funcionalización, y especialmente junto al proceso de dispersión por ultrasonidos, se crean un gran número de defectos que pueden degradar de forma significativa las propiedades mecánicas. �

• Los ácidos concentrados y los oxidantes fuertes utilizados generalmente por estos procesos son muy perjudiciales para el medio ambiente. �

1.7.2.2 Funcionalización física

La funcionalización física constituye un método alternativo a la funcionalización química para alterar las propiedades superficiales de los nanomateriales. La suspensión de por ejemplo, nanotubos de carbono en presencia de algunos polímeros como el poliestireno ,conduce a un agrupamiento del polímero alrededor del nanotubo. Para dar lugar a complejos grupos moleculares alrededor de los nanotubos. El agrupamiento del polímero se realiza mediante fuerzas de van der Waals y enlaces π-π entre los nanotubos y las cadenas poliméricas que contienen anillos aromáticos [14].



El mecanismo de funcionamiento se fundamenta en la reducción de la tensión superficial del nanotubo mediante la adsorción física del surfactante en la superficie de este, previniendo de forma efectiva la formación de aglomeraciones. Además, los nanotubos tratados con surfactantes6 superan las fuerzas de atracción de van der Waals mediante fuerzas repulsivas electrostáticas. En la figura 8 se pueden apreciar dos tipos de funcionalización química.

En este proyecto se han utilizado tres tipos de nanoplaquetas funcionalizadas químicamente obtenidas mediante exfoliación

6 Surfactante: sustancias que influyen por medio de la tensión superficial en la superficie de contacto entre dos fases.

Figura 10: diferentes tipos de funcionalización física A) arrollamiento de polímero, B) agente surfactante [12]



1.8 Mejora de las propiedades mecánicas de GRP con

nanocargas

Distintos organismos e instituciones han desarrollado estudios acerca del

comportamiento de los materiales compuestos frente a distintos ensayos

mecánicos. De estos estudios se puede concluir que en general, al conseguir una

combinación de las propiedades de los materiales que forman el compuesto, se

pueden obtener mejoras en la resistencia específica de los polímeros al añadir

nanocargas.

Dentro del amplio abanico de nanocargas disponibles, los nanotubos y las

nanoplaquetas mejoran el comportamiento frente un ensayo de flexión de

materiales laminados con fibra de vidrio respecto a aquellos que solo contienen

resina sin ningún tipo de refuerzo [15], como se puede apreciar en la figura 11.

En su estudio, esta institución comprueba como la carga máxima en un ensayo

de flexión que puede soportar el GRP, mejora al aumentar la concentración de

nanocarga añadida para todos los tipos de configuraciones. Entre las distintas

formas de presentación del nanomaterial, las nanoplaquetas mejoran todavía más

que los nanotubos.

Leyenda Descripción

MWNT Nanotubos de pared

múltiple

SWNT Nanotubos de pared

simple

GPL Nanoplaquetas

Figura 11: carga máxima admisible antes de la ruptura en un ensayo de flexión frente a la concentración de nanopartículas de carbono [15]



Se observó un aumento cercano al 30% respecto al material sin aditivos (que

en la figura 11 recibe la denominación de “baseline”). Destacar también que los

nanotubos de pared simple se comportan más favorablemente que los de pared

múltiple, siendo las nanoplaquetas las que producen un mayor aumento de la

resistencia a flexión. Este comportamiento se justifica por la naturaleza del grafeno,

cuya principal ventaja es su delgadez, siendo ideal el grafeno de una sola capa, de

espesor aproximado a 1 nm. Según vamos añadiendo espesor, es decir,

aumentando el número de capas, las propiedades de los materiales empeoran.

Además del comportamiento frente a cargas estáticas, los materiales pueden

estar expuestos a cargas que varían con el tiempo, la más característica es la

fatiga. Una de las principales desventajas de los GRP sin nanoplaquetas de

carbono, es su comportamiento frente a cargas dinámicas. Los GRP presentan

mejores ratios de resistencia/rigidez específica que sus equivalentes metálicos, sin

embargo, su escasa resistencia a la fatiga es un grave problema, que influye

negativamente en su aplicabilidad como material estructural.

El departamento de Mecánica, Ingeniería Aeroespacial y energía Nuclear del

Instituto Politécnico Rensselaer de Nueva York , demuestra que el número de ciclos

de fatiga antes del fallo catastrófico de los materiales reforzados con carbono,

aumenta respecto al composite de resina epoxi y fibra de vidrio [16]. Este

incremento es bastante importante, de varios órdenes de magnitud, como se puede

observar en las figura 12 y 13. También cabe destacar que, en este tipo de

ensayos, la diferencia entre usar nanoplaquetas de carbono y nanotubos es

bastante significativa (figuras 12 y 13). Como se veía en el caso del ensayo de

flexión (figura 11), las nanoplaquetas se comportan mejor que los nanotubos,

alargando la vida a fatiga del material compuesto sometido a 500 MPa de los diez

ciclos a los diez mil con la adición de un 0,2% de nanoplaquetas, porcentaje que

será empleado en este proyecto.



Figura 13: Carga máxima frente a número de ciclos en un ensayo de fatiga para concentraciones del 0,2% con distintos tipos de nanocargas [16]

Figura 12: Carga máxima frente a número de ciclos en un ensayo de fatiga para distintas concentraciones de nanoplaquetas en GRP [16]



Las nanoplaquetas de carbono son introducidas en los GRP principalmente

mediante dos procedimientos :

• Infiltrándose en la matriz de la resina epoxi que facilita la adhesión de

las distintas capas de fibra de vidrio.

• Exponiendo la fibra de vidrio a un aerosol del nanoplaquetas antes de

realizar el curado del material.

En la figura 14 se realiza una comparación de GRP, con nanopartículas

introducidas por dos métodos sometidas a diferentes cargas dinámicas, mostrando

el número de ciclos medio con su desviación típica.

Figura 14: Resultados de fatiga de GRP sin nanocarga, con las nanoplaquetas infiltradas en el epoxi y con las nanoplaquetas rociadas sobre las fibras de vidrio para distintos porcentajes de carga [16].



A las vista de los resultados de la figura 14, los más de tres órdenes de

magnitud en el número de ciclos que resisten los GRP con nanoplaquetas en fatiga

a flexión respecto al material base, se traducen en un aumento de rendimiento de

este tipo de materiales para aplicaciones estructurales. El porcentaje tan pequeño

de nanocarga que se requiere para conseguir este comportamiento (0,2%), a la vez

que la posibilidad de rociarlo directamente sobre la fibra de vidrio, hacen que estos

materiales compuestos sean muy adecuados (tanto en prestaciones como en

precio) para la aeronáutica y la industria automovilística, aparte de las aplicaciones

en la energía eólica anteriormente mencionadas.

Además del número de ciclos que soportan antes de romperse, el modo en el

que lo hacen también es bastante relevante. La fragilidad o la ductilidad de estos

materiales compuestos es determinante en aplicaciones en las que va a estar

sometidos a cargas de impacto. Las implicaciones en temas de seguridad que ello

conlleva, por ejemplo, son tenidas en cuenta a la hora de diseñar, incluso en

algunos casos están legisladas.

El departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Dalhausie en Estados

Unidos, realizó un estudio al respecto, afirmando que el comportamiento en fractura

interlaminar de los materiales reforzados con carbono mejora en el modo I [17]. Los

materiales GRP son especialmente susceptibles a la separación de las láminas,

sobre todo los que están unidos con matrices que se caracterizan por su fragilidad,

como son las resinas epoxi. Este fenómeno se intenta paliar con la inclusión de

nanocargas (nanoplaquetas de carbono 0,5% en peso) en la matriz polimérica de la

resina, existiendo principalmente dos causas que podrían causar el efecto contrario:

• El efecto filtrante que tiene la fibra de vidrio respecto de la resina epoxi,

pudiendo darse el caso de que al penetrar la resina en el tejido de la fibra,

las nanoplaquetas quedasen retenidas.

• La aglomeración de nanocarga en zonas localizadas provocando zonas con

una concentración de nanoplaquetas diferentes. De producirse este

fenómenos, nos encontraríamos con una distribución no uniforme de las

nanocargas, hecho que afectaría muy significativamente a las propiedades

finales del material.

Adicionalmente, los investigadores de esta institución, descubrieron que

funcionalizando las nanoplaquetas, su comportamiento era mejor. En las figuras 14

y 15 se aprecia como para la funcionalización G-Si, la energía que hay que aportar



para que se propague la grieta es mucho mayor que en el resto. En la figura 15 se

muestra la evolución de la fuerza que hay que aplicar para que la grieta se

desplace. En el caso de la funcionalización G-Si, el pico de fuerza máxima es

mayor en comparación con el material base (“Neat Epoxi”) y con el resto de

funcionalizaciones.

Concepto Descripción

“Neat Epoxi” Resina sin ningún tipo de nanocarga añadida

“UG” Resina con nanocarga sin modificar

“GO” Resina con nanocarga oxidada

“G-NH2” Resina con nanocarga modificada con aminoácidos

“G-Si” Resina con nanocarga modificada con hidruro de silicio (Silano)

Tabla 3: Descripción del contenido de cada funcionalización.

Figura 15:Carga frente a desplazamiento de la grieta en un ensayo de fractura interlaminar [17].



La figura 16 muestra el área bajo cada curva representada en la figura 15.

La integral de una gráfica carga-desplazamiento representa la energía absorbida.

Como se puede comprobar (figura 14, las funcionalizaciones de G-Si y G-NH2,

absorben una mayor cantidad de energía para la misma longitud de grieta. Esto se

traduce en una mayor resistencia antes del fallo en caso de que las cargas sean

propensas a separar las capas del material.

Examinando con el microscopio la distribución y la interacción entre fibra y

resina, se descubre el motivo de esta mejora en el ensayo de fractura interlaminar

modo I. La funcionalización con hidruro de sillico propicia la adhesión entre ambos

materiales, resultando en una unión más fuerte. En las micrografías adjuntas

(figuras 17 y 18), se puede comprobar que la resina sin ningún tipo de añadido

(figura 17) no está en contacto directo con la fibra en muchos puntos de la

superficie. Sin embargo, la resina que contiene silicio (figura 18) sí se encuentra

adherida a la fibra.

Figura 16: Energía absorbida en un ensayo de fractura por impacto según la funcionalización de las nanoplaquetas [17].



Dirección de propagación de la grieta

Fibra

Resina

Despegue

Dirección de propagación de la

grieta

Fibra

Resina

Figura 18: Superficie de la grieta en probetas sin resina con nanocarga G-Si [17]

Figura 17: Superficie de la grieta en probetas sin resina con nanocarga G-Si [17]



Capítulo 2: Memoria experimental 2.1 Materiales y equipos

2.2.1 Materiales y útiles empleados

Los materiales que se han utilizado en a lo largo de este proyecto son:

• Resina Epoxi Resoltech® 1050 : esta resina epoxi es un polímero

termoestable muy utilizado tanto para adhesivos como para materiales

estructurales, siendo suministrada en dos componentes separados. La

resina Epoxi Resoltech® 1050 está diseñada para ofrecer estructuras de

alto rendimiento con un peso muy ligero, teniendo la posibilidad de ser

reforzada con otros materiales con o sin curado posterior. Las

propiedades óptimas serán obtenidas después de un curado a 60ºC

durante 16 horas. Con el endurecedor utilizado, el 1058S, el tiempo de

gel estimado es de 19 minutos. En la tabla 4, se adjuntas otros datos de

interés sobre la resina, si se desea conocer las propiedades más en

profundidad, consúltese en anexo A al final de este documento.

Referencias 1050 1058S

Densidad (g/cm3) a 23ºC 1,14 0,98

Densidad (g/cm3) de la mezcla a 23ºC - 1,1

Viscosidad (mPa.S) a 23ºC 1000 68

Viscosidad (mPa.S) de la mezcla a 23ºC - 520

Tabla 4 : densidad de la resina epoxi Resoltech® 1050 y del endurecedor 1058S

• Nanocargas de grafeno : dentro del amplio abanico de posibilidades

que ofrece el refuerzo por partículas. Se ha optado por utilizar

nanoplaquetas de grafeno en el presente trabajo. Las nanoplaquetas

seleccionadas son las GRAPHENIC-OX® , las GRAPHENIT-AC1® y las

GRAPENIT-AC2®. Se ha optado por este tipo de material porque en el

capítulo anterior, la memoria descriptiva, se ha comprobado que las



nanoplaquetas ofrecen mejores resultados que los nanotubos,

mejorando todavía más si éstas estaban funcionalizadas. Unos de los

grandes problemas del refuerzo por partículas es la dispersión, el

método empleado para llevar a cabo esta tarea ha sido la calandra. Para

más información sobre las nanoplaquetas, consultar los anexos B, C y

D.

En la tabla 5, se presentan dos micrografías comparando el tamaño de las

nanoplaquetas AC1 y AC2. Como se ha visto en el estado del arte, el tamaño del

refuerzo influye mucho en las propiedades finales.

Comparación del tamaño de las nanoplaquetas según la funcionalización

AC1 AC2

Tabla 5: Micrografía de las nanoplaquetas AC1 y AC2

• Fibra de vidrio: material laminar de 800g/cm2, la orientación de las fibras es a 45º

Moldes de silicona

Los moldes de silicona (figura 19) necesarios para realizar las probetas de este

proyecto ha sido fabricados in situ en el laboratorio, a partir de in recipiente de

sección rectangular y unos modelos que tenían la forma de las probetas deseadas.

Los modelos se adhieren al recipiente con cinta de doble cara. Posteriormente se

añade la silicona, estando suministrada en dos componentes, como la resina. El

peso total del molde es de 5Kg, correspondiendo 485 g al componente A (silicona

color teja) y 15 g al componente B (endurecedor color azul oscuro). Las



propiedades mecánicas de este molde son muy convenientes, ya que presenta una

gran capacidad de deformación elástica a la vez que consistencia. El inconveniente

principal es su escasa vida útil, al someter a calor la silicona, esta se endurece y

pueden aparecer desprendimientos.

Molde de teflón

Siendo el teflón un material que proporciona un acabado superficial muy bueno,

es blando en comparación con el metal, por lo que se puede deformar fácilmente. El

molde empleado (figura 30) consta de 3 partes que se unen mediante dos tornillos

trasversales formando pobretas cilíndricas. Al estar la parte de arriba y la de abajo

expuestas, es necesario añadir una base que haga de tope mediante dos gatos.

Este tipo de molde presenta grandes fugas de material debido al juego existente

entre las partes en contacto.

Figura 19 : moldes de silicona para probetas de tracción,flexión y fatiga a tracción

Figura 20: moldes para probetas de fractura en masa



2.1.2 Equipos empleados

Equipo Características

Fresadora convencional

• Modelo: BF20L VARIO (Optimum) • 230V/50Hz/850W • Empleada en la preparación de las

probetas en masa.

Máquina universal de ensayos

• Modelo: IBTH-5/500 • 220 V/ 50 Hz / 500 W • Empleada en los ensayos de flexión y

tracción de las probetas en masa.




Máquina universal de ensayos

• Modelo: ELIB-20-W • 220 V/ 50 Hz / 600 W • Empleada en los ensayos de fractura

en masa, tracción, flexión y fractura interlaminar.

Máquina de fatiga

• Modelo: ELECTROPULS E3000 • Empleada para los ensayos de fatiga a

tracción (probetas en masa) y para los ensayos de fatiga a flexión (probetas laminares).

Estufa de vacío

• Modelo: Nuve EV-018 • Rango de temperaturas: 70-200 ºC • Rango de presiones: ± 1bar • Empleada para extraer el aire de la

resina epoxi y del endurecedor.




Agitador rotativo mecánico con cabezal helicoidal

• Modelo: Overhead Stirrer • 230V / 50-60 Hz / 75W • 50-2000 rpm • Empleado para dispersar las

nanoplaquetas concentradas en el componente A de la resina epoxi

Estufa con temporizador

• Modelo: 0427741 • 230 V/ 50-60 Hz/ 1200 W • Empleada para realizar el

tratamiento térmico posterior al curado



2.2 Fabricación de las probetas

Los procedimientos y técnicas mencionados a continuación, son los empleados

en la Universidad Pontificia Comillas, más concretamente por el Departamento de

Ingeniería Mecánica, durante los últimos años. Las probetas fabricadas para este

proyecto se dividen en dos grupos:

• Probetas en masa

• Probetas laminares tipo GRP compuestas por resina epoxi y fibra de

vidrio

2.2.1 Probetas en masa Las probetas en masa se encuentran compuestas íntegramente por resina

Resoltech® 1050 y nanoplaquetas de carbono con diferentes funcionalizaciones.

Las resina epoxi seleccionada, se encuentra inicialmente separada en dos

componentes, la resina y el endurecedor. El compuesto final es el resultado de la

mezcla de ambos. Cuando los dos componentes entran en contacto, la resina sufre

un proceso químico en el que partiendo del estado líquido, el material solidifica a

temperatura ambiente. A este proceso se le denomina curado. Los fabricantes

suelen proporcionar una duración estimada del proceso de solidificación,

normalmente bajo el nombre de “tiempo de gel”, aunque este tiempo es variable y

se ve afectado por distintos elementos, entre los que destaca la temperatura,

siendo la temperatura un catalizador positivo que acelera el curado. En este

proyecto, una vez llenados los moldes con el epoxi, han estado durante una hora

expuestos a la temperatura ambiente (22ºC) y a una humedad relativa

perteneciente al rango [30-50%] . Una vez finalizada la primera hora, para

consolidar la solidificación y para disminuir el tiempo necesario de espera para

poder ensayar las probetas, se han sometido a un calentamiento adicional de 60ºC

durante dieciséis horas en una estufa. Finiquitados los tratamientos térmicos, se

han mecanizado tanto en fresadora como en lija manual para así obtener las

tolerancias necesarias para los ensayos, estando los ensayos regulados por

normas de carácter internacional.



El proceso de fabricación consta de las siguientes etapas:

• Medida de los componentes A y B: bajo una proporción de 5Kg de A- 1,75 Kg

de B, se mide en peso la cantidad necesaria de cada componente en función del

volumen total que se desea preparar de resina epoxi. Se recomienda

sobredimensionar las cantidades en un 10% para contrarrestar la cantidad de

componente que se queda retenida en las paredes de los recipientes. La

densidad final de la resina es de 1g/cm3, con las que se calcula la masa. La

cantidad de resina a preparar se estima con el volumen de las probetas indicado

a continuación:

o Probetas de flexión: prisma rectangular de 3,2 cm3.

o Probetas de tracción: la forma de “hueso de perro” se aproxima por 3

prismas rectangulares, resultando un volumen total de 2,14 cm3.

o Probetas de fractura: cilindros de 1,67 cm3 de volumen.

• Preparación de los moldes: Los moldes son limpiados con etanol para eliminar

cualquier tipo de residuo que se haya podido quedar adherido en anteriores

usos. A continuación, a se aplica una delgada capa de cera para facilitar la

extracción de las probetas una vez solidificadas y concluido el tratamiento

térmico.

• Dispersión de A concentrado en A blanco: debido a su interés desde el punto

de vista comercial, se parte de un componente A concentrado para luego diluirlo

hasta la concentración final deseada. En las funcionalizaciones “OX”,”AC1” y

“AC2” se parte de una concentración inicial del 2,7% de nanoplaquetas. Para

que posteriormente cuando se añada el componente B (Resoltech® 1058S)

conseguir el 0,2% en masa de nanoplaquetas que se maneja en este proyecto,

para ello, se mezcla una parte de concentrado A con nueve de A blanco en un

agitador mecánico rotativo con cabezal en forma de hélice a 700 rpm durante 10

Medida de los componentes A y B

Preparación de los moldes

Dispersión de A concentrado en

A diluidoVacío

Mezcla de A y B +

homogeneización

LLenado de

moldes

Tratamiento térmico Mecanización



minutos. En este proceso aseguramos una correcta dispersión de las

nanoplaquetas a lo largo de todo el compuesto.

• Realización de vacío: durante la etapa anterior, altas cantidades de aire quedan

atrapadas en el componente A debido a su alta viscosidad. Haciendo vacío a la

muestra se elimina ese aire retenido. Experimentalmente se ha comprobado que

para una media de 80g de resina, con 15 minutos de vacío es suficiente. En este

paso existe un factor a tener en cuenta, al realizar el vacío, el volumen de la

muestra aumenta considerablemente durante un corto periodo de tiempo. Si no

se utiliza un recipiente con un volumen suficientemente alto, la muestra se sale

del vaso.

• Mezcla de los componentes A y B: finalmente, el componente A y el

componente B se unen en un mismo vaso. Debido al tiempo de gel limitado del

que disponemos con este endurecedor (20 minutos), el método más efectivo

para llevar a cabo esta tarea es agitar manualmente con una varilla a una

velocidad baja. De esta forma se retiene una cantidad muy pequeña de aire.

• Llenado de moldes: para depositar la resina todavía líquida, el procedimiento

más simple y efectivo es utilizar jeringuillas de 5 ml (figura 21). Debido a su

tamaño, resultan fácilmente manejables y debido a su capacidad, permiten llenar

varios con una sola recarga.

Figura 21: jeringuilla de 5 ml.



• Curado de las probetas: una vez llenados los moldes, se dejan solidificar a

temperatura ambiente (22ºC) durante 1 hora. Posteriormente se introducen

en una estufa a 60ºC durante un periodo de 16 horas.

• Mecanizado de las probetas: una vez sólidas las probetas, deben ser

planeadas con las fresadora por la cara libre ( la que no ha estado en

contacto con la superficie del molde). Además, las caras laterales deben ser

también rectificadas con papel de lija.

Las probetas en masa, subdividen a su vez en cuatro grupos:

1. Resina Resoltech 1050 sin ningún añadido, a la que llamaremos “blanca”.

2. Resina Resoltech 1050 con nanoplaquetas tipo “OX”.

3. Resina Resoltech 1050 con nanoplaquetas tipo “AC1”.

4. Resina Resoltech 1050 con nanoplaquetas tipo “AC2”.

Los tipos 2,3 y 4 presentan un color negro azabache uniforme. A simple vista, no se

pueden diferenciar entre ellos, como se aprecia en las figuras 22 y 23.

Figura 22: probetas en forma de hueso para ensayos de tracción y fatiga a tracción



Figura 23: probetas rectangulares para el ensayo de flexión a tres puntos



2.2.2 Probetas laminares

Las probetas laminares además de la resina epoxi Resoltech 1050 que

contiene nanoplaquetas de carbono con diferentes funcionalizaciones, se ha

utilizado fibra de vidrio. La fibra de vidrio es una material formado por hilos, esta

composición permite un grado de libertad a la hora de orientar las fibras. La fibra de

vidrio utilizada en este proyecto, tiene una orientación de los hilos a 45º. Se han

empleado seis capas, alternando su posición entre 45º y 135º. Utilizando la resina

como adhesivo entre capa y capa de fibra, uno de los mayores problemas es

conseguir la penetración de la resina entre los hilos de la fibra. Este incidente se ha

solventado aplicando presión de manera perpendicular al plano de la fibra, tanto

con la brocha al extender la resina, como con un rodillo cilíndrico una vez aplicada.

Con el rodillo conseguimos homogeneizar la distribución de la resina por toda la

superficie. Después, la plancha de material se somete a un vacío de una hora, en el

que se elimina el aire que se haya podido quedar retenido. A la vez que se realiza

el vacío, se comprime el material compuesto.

El proceso de fabricación consta de las siguientes etapas:

• Cortar capas de fibra de vidrio tamaño DIN A-4: para la elaboración de este

material, se ha utilizado seis capas de fibra de vidrio y dos capas de film

sangrador (figura 24), cuyo objetivo es evitar que el material se adhiera a las

planchas de aluminio que se utilizan para comprimir. Se recomienda no ajustar el

tamaño de las capas al DIN A-4, sino procurar dejar unos márgenes de 2 cm

alrededor de las planchas de aluminio para asegurar que la irregularidad de los

bordes no perturba las propiedades de la parte interior a la hora de ensayar. En

la figura 25 se muestra una plancha de material laminar ya preparada.

Cortar capas de fibra de vidrio tamaño DIN A-4

Medida de componentes A

y B

Dispersión de A concentrado en

A diluidoVacío Mezcla de A y B

+ homogeneización

Alternar capas epoxi-fibraTratamiento

térmicoCorte



• Medida de los componentes A y B: bajo una proporción de 5Kg de A- 1,75 Kg

de B, se mide en peso la cantidad necesaria de cada componente en función del

volumen total que se desea preparar de resina epoxi. Se recomienda

sobredimensionar las cantidades en un 10% para contrarrestar la cantidad de

componente que se queda retenida en las paredes de los recipientes.

Figura 24: Film sangrador poroso

Figura 25:Pplancha de material laminar ya preparada



• Dispersión de A concentrado en A blanco: debido a su interés desde el punto

de vista comercial, se parte de un componente A concentrado para luego diluirlo

hasta la concentración final deseada. En las funcionalizaciones “OX”,” Para que

posteriormente cuando se añada el componente B (Resoltech® 1058S) conseguir

el 0,2% en masa de nanoplaquetas que se maneja en este proyecto, para ello se

mezcla una parte de concentrado A con nueve de A blanco en un agitador

mecánico rotativo con cabezal en forma de hélice a 700 rpm durante 10

minutos. En este proceso aseguramos una correcta dispersión de las

nanoplaquetas a lo largo de todo el compuesto. Para este tipo de probetas, es

altamente recomendable dividir la mezcla total en varias partes, que se irán

usando según se vayan aplicando las capas, ya que al polimerizar la resina se

calienta y este calor aumenta la velocidad de curado. Pequeñas cantidades de

resina producen menos calor y éste se puede disipar más fácilmente.

• Realización de vacío: durante la etapa anterior, altas cantidades de aire quedan

atrapadas en el componente A debido a su alta viscosidad. Haciendo vacío a la

muestra se elimina ese aire retenido. Experimentalmente se ha comprobado que

para una media de 80g de componente A, con 15 minutos de vacío es suficiente.

En este paso existe un factor a tener en cuenta, al realizar el vacío, el volumen

de la muestra aumenta considerablemente durante un corto periodo de tiempo.

Si no se utiliza un recipiente con un volumen suficientemente alto, la muestra se

sale del vaso.

• Mezcla de los componente A y B: finalmente, el componente A y el

componente B se unen en un mismo vaso. Debido al tiempo de gel limitado del

que disponemos con este endurecedor (20 minutos), el método más efectivo

para llevar a cabo esta tarea es agitar manualmente con una varilla a una

velocidad baja. De esta forma se retiene una cantidad muy pequeña de aire.

Como se han comentado anteriormente, se recomienda dividir el volumen total

en varías mezclas de menor tamaño que se irán utilizando según se necesiten.



En la figura 26 se observan todos los elementos necesarios para la elaboración del

material laminado.

Marca Concepto Utilidad

1 Componentes A y B Al mezclarse, forman la resina que sirve como adhesivo del resto de capas.

2 Fibra de vidrio -

3 Papel sangrador

Capa intermedia entre el material y el aluminio. Evita que las caras externas del material se peguen a la plancha de metal.

4 Plancha de aluminio Se utiliza para comprimir el material, y así facilitar la homogeneidad de la resina en el interior del laminado.

5 Rodillo Durante la fabricación, se utiliza para eliminar las posibles arrugas que se puedan formar.

6 Brocha Se utiliza para distribuir la resina uniformemente a lo largo de toda las superficie de la fibra de vidrio.

11

6 5

43

2

3

Figura 26: banco de trabajo para la fabricación de probetas laminares.



Las probetas de laminados así obtenidas, se subdividen a su vez en cuatro grupos:

1. Resina Resoltech 1050 sin ningún añadido más fibra de vidrio, a la que

llamaremos “blanca”.

2. Resina Resoltech 1050 con nanoplaquetas tipo “OX” más fibra de vidrio.

3. Resina Resoltech 1050 con nanoplaquetas tipo “AC1” más fibra de vidrio.

4. Resina Resoltech 1050 con nanoplaquetas tipo “AC2” más fibra de vidrio.

Los tipos 2, 3 y 4 presentan un color negro azabache uniforme. A simple vista, no

se pueden diferenciar entre ellos (figura 27).

Figura 27: probetas de laminado para ensayos de flexión y fatiga a flexión, mecanizadas y adaptadas a la norma empleada.



2.3 Caracterización de propiedades mecánicas de los materiales fabricados

En los últimos años, se han descubierto nuevo materiales que mejoran en algún

modo a los ya existentes. Ya sea por su densidad o por su resistencia, la tendencia

ha sido la de intentar sustituir los materiales convencionales por lo nuevos.

Estudiando el comportamiento de dichos materiales antes cargas de diferente

naturaleza, podemos discernir las aplicaciones que estos pueden tener.

Uno de los objetivos de este proyecto es comprobar si al alterar la composición

de la resina epoxi pura con nanoplaquetas de carbono, alguna de sus propiedades

mecánicas mejoran. A pesar de que en los medios de comunicación y en la

comunidad científica hay una gran expectación por el grafeno, que su utilización

mejore las propiedades del material no resulta tan obvia, puesto que variables como

la dispersión, la concentración o incluso el número de capas de nanomaterial,

tienen un gran impacto en el resultado final.

2.3.1 Ensayo de flexión a tres puntos

Para determinar ciertas propiedades mecánicas tanto en materiales plásticos

rígidos como en materiales plásticos semirrígidos, se les somete a esfuerzos en

condiciones controladas, provocando estados tensionales en sus fibras. Estos

estados tensionales pueden ser de tracción, compresión, torsión y flexión. Mediante

las cargas que estos materiales son capaces de soportar y algoritmos matemáticos

que las relacionan con otras magnitudes físicas, podemos sacar las propiedades

mecánicas.

Para garantizar la fiabilidad de los resultados obtenidos , existen multitud e

organismos tanto nacionales como internacionales (AENOR,DIN,ISO…) que

establecen procedimientos para realizar las pruebas. En estos procedimientos se

controlan todos los parámetro relacionados, como pueden ser la posición, el

método de sujeción, la velocidad del ensayo, la forma de la probeta e incluso el

número de probetas mínimo que se debe ensayar para que los resultados sean

representativos. En el caso de la norma seguida en este trabajo de investigación, el

tamaño del lote mínimo es de cinco pobretas por composición del material.



En este proyecto, el ensayo de flexión se ha realizado con probetas ( todas,

independientemente de su composición) en forma de prisma rectangular. El

esfuerzo se debe aplicar de manera perpendicular a la dirección principal de la

probeta y sobre una de las caras con mayor anchura. En el caso de que el material

fuese anisotrópico7, se deberá repetir el ensayo en todas las direcciones de

interés.

2.3.1.1 Términos y definiciones

En la literatura, podemos encontrar multitud de denominaciones para las

mismas magnitudes, al traducir ciertos términos de un idioma a otro, las palabras

varían. Por lo que es imperativo dejar claro desde el principio a qué hace referencia

cada letra o símbolo que aparece. De este modo, cualquier lector puede seguir el

texto y saber en todo momento lo que está leyendo. Los parámetros relevantes en

este proyecto son los siguientes:

-Velocidad de avance del punzón/carrera, v: es la velocidad del movimiento

relativo entre los soportes y el punzón que aplica la carga. Se mide en milímetros

por minuto (mm/min).

-Esfuerzo de flexión, σy: tensión nominal que se aplica a la sección que sufre la

carga en cada momento. Se mide en megapascales (MPa).

-Resistencia a la flexión, σmáx.: esfuerzo más alto que soporta la probeta durante

el ensayo. Se mide en megapascales (MPa).

2.3.1.2 Probetas- Forma y posicionamiento

El ensayo se ha llevado a cabo según la norma UNE-EN ISO 178 La

metodología a seguir en este ensayo es la siguiente: posicionar la probeta de forma

horizontal de tal forma que la menor medida dimensional sea la altura. La carga se

deberá aplicar en el centro. La velocidad del descenso del punzón es de 5 mm/min.

7 Anisotropía: Dicho de una sustancia o de un cuerpo: Que posee propiedades físicas distintas según la dirección en que se mide.



En el esquema adjunto Figura 28 se puede observar una probeta para el ensayo de

flexión, en la figura 29, un esquema del ensayo.

Dimensiones de probeta recomendada Magnitud Valor nominal recomendado

(Probetas en masa) Valor nominal recomendado

(Probetas laminares) Longitud, l 80 ± 2 mm - Anchura, b 10 ± 0,2 mm 25 ± 2 mm Espesor, h 4 ± 0,2 mm - La distancia entre apoyos, L, se rige según la ecuación 1:

L mm = 16 ∗ h(1)

Tras una medida exhaustiva del ancho de las probetas en masa, la media

aritmética se posiciona en los h =4,2 mm. Por lo que la separación entre apoyos

utilizada es de 70 mm, acorde con la ecuación 1. Para las probetas laminadas

también se utiliza una separación entre apoyos de 70 mm.

l

b

h

Figura 28: probeta para ensayos de flexión



2.3.1.3 Cálculo de parámetros y resultados

Del ensayo de flexión se puede obtener la fuerza máxima que soporta la

probeta antes de romper de un amanera sencilla. La fuerza máxima y la tensión se

relacionan mediante la ecuación 2.

σ345 = 3 ∗ F ∗ L

b ∗ h9(2)

Otro parámetro que se puede deducir de este ensayo es el módulo de

elasticidad, que difiere del que se puede calcular en otros ensayos, como puede ser

en el de tracción. El módulo de elasticidad se calcula atendiendo a la siguiente

fórmula 3.

E<=>5?ó# =∆B

∆C (3)

Leyenda F Fuerza R1 Radio del elemento de carga R2 Radio de los soportes h Espesor de la probeta l Longitud de la probeta L Distancia entre los soportes b Anchura de la probeta

Figura 29: esquema ensayo a flexión en tres puntos.



2.3.2 Ensayo de tracción

El método de ensayo de tracción queda definido por la norma UNE-EN ISO

6892 para materiales poliméricos a temperatura ambiente, también define las

propiedades que se derivan del ensayo. De los dos métodos que contempla la

norma, se aplica el que define la velocidad de separación de las mordazas (método

A). El principio en el que se fundamenta el ensayo de tracción tipo A, es el

siguiente: someter a una probeta a un esfuerzo longitudinal de tracción,

generalmente hasta la rotura. El ensayo debe realizarse a una temperatura de 23ºC

± 5ºC

2.3.2.1 Términos y definiciones -Longitud base del extensómetro, Lc: longitud base inicial que se utiliza para la

medición de la deformación con el extensómetro. En este caso, el extensómetro

utilizado tiene una longitud base de 10mm.

-Velocidad de separación de las mordazas, Vc: desplazamiento de las mordazas

por unidad de tiempo. Se mide en milímetros por minuto (mm/min). En este

proyecto se ha utilizado un avance de 3mm/min

-Fuerza máxima, Fm : fuerza más alta que soporta la probeta durante el ensayo. Se

mide en Newton (N).

-Resistencia a la tracción, Rm: tensión correspondiente a la fuerza máxima , Fm.

Se mide en megapascales (MPa).

-Límite elástico convencional, Rp 0,2%: tensión correspondiente a un alargamiento

establecido previamente de la longitud base del extensómetro (Lc). Se mide en

megapascales (MPa).

-Rotura: fenómeno que ocurre cuando se produce la separación total de la probeta

en dos partes o si el material es dúctil, cuando la fuerza disminuye

considerablemente aproximándose a cero.




La forma de la probetas seleccionada es la comúnmente conocida como

“hueso de perro” (figura 30). La parte central de la probeta, por la que la probeta

romperá, es de sección rectangular.

Leyenda F Fuerza aplicada en el centro de la probeta

h Espesor de la probeta

L Longitud de la probeta

b Anchura de la probeta Dimensiones de probeta recomendada

Magnitud Valor nominal recomendado (Probetas en masa)

Valor nominal recomendado (Probetas laminares)

Longitud, L 75 ± 2 mm 170 ± 2 mm

Anchura, b 4,5 ± 0,2 mm 14 ± 2 mm

Espesor, h 5 ± 0,2 mm 4 ± 2 mm

L b

h

Figura 30: probetas para el ensayo de tracción.



La forma de posicionar la probeta queda representada en la siguiente imagen

(figura 31) , se debe prestar especial atención a la alineación entre mordazas, de tal

forma que la probeta quede completamente vertical.


En este ensayo se obtiene una curva de fuerza frente a deformación, ambas

magnitudes no resultan interesantes para comparar la resistencia de dos o más

materiales, por lo que hay que transformarlas en algo que si sea de utilidad.

Para el Módulo de Elasticidad (E), se utiliza un punto de la zona lineal de la

gráfica, dividiendo la tensión entre la deformación, obtenemos el valor de dicho

parámetro. Para obtener el límite elástico, se traza una paralela a la zona línea por

la deformación que corresponde a un 0,2 % de la longitud inicial, el punto de corte,

es el límite buscado. La resistencia a la tracción se obtiene según la siguiente

fórmula (4).

R3 =F3A(4)

Donde Fm, es la fuerza máxima que la probeta es capaz de soportar.

Figura 31: Posicionamiento de una probeta con forma de "hueso de perro" para un ensayo de tracción de probetas en masa



2.3.3 Ensayo de fractura interlaminar

En los materiales compuestos por capas, el nivel de adhesión entre los

distintos niveles es determinante. Resulta muy necesario conocer el esfuerzo

que estos materiales soportan cuanto se compromete la integridad del

material en el sentido de separación de las capas que lo forman. Más

concretamente, este ensayo regido por una norma interna de Airbus permite

estimar la tasa de liberación de energía en una fractura de modo I.

2.3.3.1 Términos y definiciones - Tasa de liberación de energía, GIC: energía necesaria por unidad de superficie

para producir un avance unitario en la grieta en modo I entre capas del material

laminado. Se mide en julios por milímetro cuadrado (J/mm2).

- Modo I: procedimiento mediante el cual la carga que produce la grieta es

aplicada. En este modo, la fuerza se aplica de manera perpendicular al plano en el

que se propaga la grieta.

- Velocidad de separación de las mordazas, Vc: desplazamiento de las mordazas

por unidad de tiempo. Se mide en milímetros por minuto (mm/min). En este

proyecto se ha utilizado un avance de 10 mm/min


Las muestras utilizadas presentan una sección rectangular y se ubican de

manera horizontal perpendiculares al eje que sigue la fuerza, como se puede

apreciar en la figura 32. En el extremo izquierdo de la probeta, se han colocado dos

mordazas que se encargan de transmitir la fuerza de la máquina al material. Se

recomienda aplicar algún tipo de coloración clara al borde de la probeta para

facilitar la visualización de la propagación de la grieta. La figura 33 muestra una

probeta ya ensayada laminar preparada .



En la imagen se observan dos marcas, la primera indica el fin de la Pregrieta,

que debe realizarse con un avance de 2 mm/min. La segunda señala el fin del

ensayo, que se realiza a la velocidad usual 10 mm/min. La pregrieta tiene una

longitud de 10 milímetros, la del ensayo 100 mm, por lo que la probeta debe tener

una longitud que supere los 110 mm.

Figura 33: imagen de probeta de fractura interlaminar ensayada

Figura 32: posicionamiento de una probeta para fractura interlaminar




Los resultados que proporciona este ensayo vienen recogidos en una gráfica

que relaciona la fuerza que ejerce la máquina con la separación de las mordazas.

Esta gráfica se caracteriza por tener pendiente positiva hasta alcanzar un primer

máximo, absoluto, tras el cual, la pregrieta se propaga y la fuerza baja de forma

drástica. Posteriormente vuelve a aumentar hasta alcanzar un máximo relativo.

Todos los máximos relativos posteriores son menores que el anterior. La integral

del área bajo la curva (figura 34), nos proporciona la tasa de liberación de energía.

-0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.160

20

40

60

80

100

120

Fuer

za (N

)

Carrera (m)

Figura 34: ejemplo de gráfica de ensayo de fractura interlaminar



2.3.4 Ensayo de fractura para probetas en masa

Este método de ensayo se encarga de determinar la tenacidad a la fractura

crítica en modo I de materiales poliméricos y metálicos. El principio de

funcionamiento se basa en la propagación de una grita por un plano horizontal que

pasa por el eje central de la probeta con forma cilíndrica según indica la norma

ASTM E1304

2.3.4.1 Términos y definiciones -Tenacidad a la fractura, KIC: capacidad que tiene un material con defectos a

resistir fuerzas que se le apliquen sin provocar fractura.

-Velocidad de avance, Vc : velocidad relativa con las que se separan las

mordazas.

2.3.4.2 Probetas-Forma y posicionamiento

Las probetas tienen inicialmente una forma cilíndrica, para posteriormente ser

mecanizadas hasta obtener la pregrieta con la geometría y el tamaño deseado. En

la siguiente figura 35 se puede apreciar la forma que la norma empleada para este

ensayo indica.

Leyenda Descripción W Altura total de la probeta B Diámetro de la probeta

X Distancia de la línea de aplicación de la fuerza

T Tamaño del ranurado pasante superior que aloja las mordazas

H Distancia entre la pregrieta central interior y el borde de la probeta.

Ø Ángulo que forma el triángulo resultante después de realizar la pregrieta.

a0 Distancia entre la parte superior de la probeta y punto de unión del triángulo.

Figura 35: geometría de las probetas en masa para el ensayo de fractura.



Respecto a la posición a la hora de ensayar esta probeta, ésta se coloca de

manera perpendicular a la línea imaginaria en la que se aplica la fuerza, como

muestra la figura 36. EL método de sujeción entre la probeta y la máquinas son

unas mordazas que se alojan en el hueco que se ha previsto y realizada en la parte

superior del cilindro (la figura 37 presenta una probeta mecanizada y lista para

ensayar.


El cálculo de la principal variable que se obtiene de este ensayo, la tenacidad a

la fractura, se calcula aplicando la siguiente ecuación.

GHI = J ∗ &K/(M ∗ N)

Donde los parámetros necesarios son los siguientes:

• Y: fuerza máxima a partir de la cual la grieta comienza a propagarse

• Pc: factor de corrección adimensional.

• B: diámetro de la probeta.

• W: altura toral de la probeta.

Figura 36: probeta en masa mecanizada para el ensayo de fractura.

Figura 37: posicionamiento de una probeta en masa para el ensayo de fractura



2.3.5 Ensayo de impacto (Péndulo Charpy)

Los materiales están expuestos a diversos elementos que no siempre se

pueden controlar. Con cargas estáticas, podemos realizar diferentes ensayos con

los que poder dimensionar. Con las cargas dinámicas, podemos hacer estimaciones

bastante precisas y ver si los diseños son adecuados. Otras cargas como los

impactos, no siempre se pueden predecir, por lo que tener una idea previa de cómo

se comportan, es altamente recomendable.

El ensayo de impacto se ha realizado siguiendo la norma UNE-EN ISO 179-1,

coloca horizontalmente una probeta entre dos apoyos. Posteriormente, esta probeta

es golpeada por un solo percutor, estando situada la línea de impacto equidistante

de ambos apoyos. La probeta se deforma a una velocidad elevada y nominalmente

constante, absorbiendo parte de la energía mecánica del péndulo.

2.3.5.1 Términos y definiciones - Resistencia al impacto Charpy de probetas no entalladas, acU: energía

absorbida en la rotura de una probeta no entallada, referida a la superficie inicial

de su sección trasversal.


Leyenda 1 Fuerza aplicada en el centro de la probeta

h Espesor de la probeta

l Longitud de la probeta

b Altura de la probeta

Figura 38: Probeta para impacto en la cara ancha.



En la figura 38, se muestra un probeta para ensayar en un péndulo Charpy, a

la vez que se indica dónde se debe producir el impacto, señalado con la marca 1.

Dimensiones recomendadas de las probetas

2.3.5.3 Cálculo de parámetros y resultados La energía que absorbe la probeta al recibe el impacto se calcula utilizando la

siguiente expresión matemática (5).

aPQ =EPhxb

x10T(5)

Donde los parámetros necesarios son los siguiente:

• Ec: Energía absorbida calculada como la diferencia de energía mecánica

del péndulo percutor

• h: Espesor de la probeta.

• b: anchura de la probeta.

Magnitud Valor nominal recomendado (Probetas en masa)

Longitud, l 80 ± 2 mm

Anchura, b 4, ± 0,2 mm

Espesor, h 10± 0,2 mm Distancia entre

apoyos 62VW,WYW,Z mm

Tabla 6: Dimensiones recomendadas para el ensayo de impacto de probetas laminares y en masa



Capítulo 3: Análisis de resultados

3.1 Resultados de las probetas en masa


Como se ha expuesto anteriormente, en este proyecto se han utilizado cuatro

grupos de materiales en masa por cada tipo de ensayo. De cada grupo se han

ensayado al menos cinco probetas, de las cuales, debido a la naturaleza del

ensayo, se han obtenido el módulo de elasticidad (E), el límite elástico (Rp 0,2%) y la

resistencia a la tracción (Rm). Destacar que todas las probetas se han fabricado a la

vez, todas las de un mismo tipo parten de la misma mezcla y han sufrido

exactamente el mismo tipo y la misma duración de tratamiento térmico, por lo que a

priori, la ligera variación en sus propiedades no es debida al proceso de fabricación.

Tampoco se obtuvieron defectos visibles a simple vista (sin utilizar ningún tipo de

aparato óptico) que justifiquen el aumento o descenso de las magnitudes medidas.

Las probetas en masa, subdividen a su vez en cuatro grupos:

1. Resina Resoltech 1050 sin ningún añadido, a la que llamaremos “blanca”.

2. Resina Resoltech 1050 con nanoplaquetas tipo “OX”

3. Resina Resoltech 1050 con nanoplaquetas tipo “AC1”

4. Resina Resoltech 1050 con nanoplaquetas tipo “AC2”

En este ensayo y en los siguientes, el grupo número 1 se utiliza como control.

En este apartado, se ponen a disposición del lector las tablas con los valores

medios y la desviación típica diferenciados según el número de probeta.

Posteriormente se encuentran las gráficas y una tabla destacando la variación de

la propiedade medida con cada grupo con cada grupo de control o “blanco”de una

manera bastate visual, proporcionando una idea rápida de si existe mejora y en qué

grado.

En la tabla número 7 , 8 , 9 y 10 se muestran los datos de todas las probetas

ensayadas, con los valores medios de cada parámetro.



Probetasblancas E(MPa) Rp0,2%(MPa) Rm(MPa)

1 3169,78 55,93 56,41

2 3236,81 51,68 52,23

3 2804,64 62,56 72,13

4 3191,39 59,7 60,31

5 3055,74 61,18 61,75

Media 3091,67 58,21 60,57

DesviaciónTípica 173,77 4,41 6,66

Tabla 7 : datos desglosados de las magnitudes medidas en el ensayo de tracción del grupo de control

En el caso del epoxi puro (tabla 5), la dispersión de los datos es baja tanto en

el módulo de elasticidad como en el límite elástico, considerando baja como menos

de un 10% del valor medio. La probeta número tres, presenta un comportamiento

anómalo, más propio de materiales dúctiles que de este tipo de resina, que es frágil.

Al ser más favorable a la deformación que el resto, aguanta fuerzas mayores antes

de romper, por lo que la resistencia a la tracción es mayor y hace que la desviación

aumente. Como el resto de probetas obtuvieron unos resultados parecidos a los

que proporciona el fabricante de la resina (E=3300 MPa y Rp 0,2% = 60 MPa), se

puede afirmar que el lote de referencia o lote de control es válido.

Probeta-OX E(MPa) Rp0,2%(MPa) Rm(MPa)

1 2986,33 65,27 71,01

2 3288,38 63,74 65,64

3 3283,81 66,14 75,07

4 3172,89 50,74 51,33

5 3480,13 55,69 56,15

Media 3242,31 60,32 63,84


Tabla 8: datos desglosados de las magnitudes medidas en el ensayo de tracción del grupo OX.



Probeta-AC1 E(MPa) Rp0,2%(MPa) Rm(MPa)

1 3073,67 65 72,75

2 3099,49 68,3 71,54

3 2926,53 62,67 72,95

4 3119,29 49,15 53,61

5 3558,62 59,57 60,05

Media 3155,52 60,94 66,18


Tabla 9: datos desglosados de las magnitudes medidas en el ensayo de tracción del grupo AC1

Tabla 10: datos desglosados de las magnitudes medidas en el ensayo de tracción del grupo AC2

Probeta-AC2 E(MPa) Rp0,2%(MPa) Rm(MPa)

1 3867,89 65,49 78,38

2 3018,57 66,06 76,20

3 3834,79 72,13 81,02

4 3876,12 68,92 73,93

5 2865,93 53,79 54,48

Media 3492,66 65,28 72,80




En las gráficas 1, 2 y 3 se representan los valores medios y las desviaciones de

las tres propiedades medidas para todos los tipos de material empleados.

05101520253035404550556065707580

Epoxi Epoxi+Ac1 Eoxi+Ox Epoxi-Ac2

Límite

Elástico(R

p0,2%

)(MPa)

Gráfica 2 : Límite elástico de la resina epoxi con y sin los tres tipos de nanocargas

Gráfica 1 : Módulo de elasticidad de la resina epoxi con y sin los tres tipos de nanocargas

0200400600800

10001200140016001800200022002400260028003000320034003600380040004200

Epoxi Epoxi+Ac1 Epoxi+Ox Epoxi-Ac2

Mód

ulode

ElasticidadE(M

Pa)



Como se parecía en la tabla número 11, todos los tipos de nanocargas

funcionalizadas mejoran respecto al control en todas las magnitudes medidas,

destacando la funcionalización AC2 sobre las demás que mejora en más de un

10% en todos, llegando al 20 % en la resistencia a la tracción

% E Rp0,2% RmOX +4,87% +3,62% +5,40%AC1 +2,07% +4,69% +9,26%AC2 +12,97% +12,14% +20,20%

Tabla 11: Porcentaje de variación respecto al control de los tres tipos de nanocargas en tracción

0,005,00

10,0015,0020,0025,0030,0035,0040,0045,0050,0055,0060,0065,0070,0075,0080,0085,0090,00

Epoxi Epoxi+Ac1 Eoxi+Ox Epoxi-Ac2

Resis

tenciaalatracción

Rm(M

Pa)

Gráfica 3: Resistencia a la tracción de la resina epoxi con y sin los tres tipos de nanocargas



3.1.2 Ensayo de flexión

En las tablas número 12,13 ,14 y 15 se muestran los datos de todas las

probetas ensayadas, con los valores medios de cada parámetro.

Número Tipo de Probeta Fuerza (N) Ancho

(mm) Espesor

(mm) Largo (mm) Tensión (MPa)

Ef (MPa)

1 Epoxi puro 173,92 10,10 4,27 79,32 99,17 3.977,46 2 Epoxi puro 169,00 10,12 4,37 79,32 91,82 3.784,74 3 Epoxi puro 181,80 9,90 4,38 79,20 100,51 3.464,07 4 Epoxi puro 172,50 9,82 4,28 79,23 100,69 3.470,29 5 Epoxi puro 203,40 10,30 4,50 79,20 102,39 3.557,80

Media 180,12 98,92 3.650,87 Desviación 12,37 3,69 200,37

Tabla 12: datos desglosados de la resistencia y el modulo a flexión del grupo de control


(mm) Espesor

(mm) Largo (mm)

Tensión (MPa)

Ef (MPa)

1 Epoxi +OX 208,90 10,00 4,20 79,20 124,35 3.078,44 2 Epoxi +OX 228,25 9,80 4,50 79,25 120,77 2.672,34 3 Epoxi +OX 133,30 10,20 4,00 79,26 85,76 3.546,50 4 Epoxi +OX 176,60 10,30 4,27 79,30 98,74 3.390,33 5 Epoxi +OX 160,40 10,00 4,26 79,28 92,81 3.402,72


Tabla 13: datos desglosados de la resistencia y el modulo a flexión del grupo OX


(mm) Espesor

(mm) Largo (mm)

Tensión (MPa)

Ef (MPa)

1 Epoxi+AC1 126,50 10,10 4,30 79,25 71,12 3.060,00 2 Epoxi+AC1 178,70 9,75 3,90 79,15 126,53 3.600,74 3 Epoxi+AC1 119,50 9,90 4,15 79,23 73,59 3.488,90 4 Epoxi+AC1 139,60 10,34 4,16 79,20 81,92 3.428,53 5 Epoxi+AC1 161,90 9,80 4,22 79,27 97,41 3.595,93






(mm) Espesor

(mm) Largo (mm)

Tensión (MPa)

Ef (MPa)

1 Epoxi+AC2 173,70 10,23 4,34 79,20 94,65 3.116,20 2 Epoxi+AC2 174,30 9,86 4,08 79,16 111,50 3.222,22 3 Epoxi+AC2 154,20 9,81 4,24 79,20 91,81 3.390,14 4 Epoxi+AC2 179,50 9,90 4,25 79,30 105,40 3.279,262 5 Epoxi+AC2 223,10 10,11 4,49 79,28 114,93 3.311,41



En la gráficas 4 y 5 se comparan todos los resultados entre los distintos materiales.

Gráfica 4: Módulo a flexión de la resina epoxi con y sin los tres tipos de nanocargas

de la resina epoxi con y sin los tres tipos de nanocargas

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Epoxipuro Epoxi+Ox Epoxi+AC1 Epoxi+AC2

Mód

ulode

elasticidadaflexión8M

Pa)



Gráfica 5: Resistencia a la flexión de la resina epoxi con y sin los tres tipos de nanocargas

Como se parecía en la tabla número 16, todos los tipos de nanocargas

funcionalizadas sufren un descenso respecto al control. Especialmente las

funcionalizaciones OX y AC2. Esto es debido al tipo de polímero con el que se ha

funcionalizando las nanoplaquetas AC1, que contrarresta la caída. Sin embargo,

cuando hablamos de la resistencia a flexión, las nanoplaquetas OX y AC2 mejoran

con respecto a la resina, cosa que no ocurre con la AC1. Las mejoras, sin embargo,

no superan el 5,3 % en ningún caso, al contrario de los visto en el ensayo de

tracción, donde las mejoras alcanzaban el 20%

% Ef RfOX -11,85 % +5,33 %AC1 -5,92% -8,91 % AC2 -10,60% +4,79 %

Tabla 16: Porcentaje de variación respecto al control de los tres tipos de nanocargas en flexión

0,0010,0020,0030,0040,0050,0060,0070,0080,0090,00100,00110,00120,00130,00


Resis

tenciaalaflexión(M

Pa)



3.1.3 Ensayo de fatiga

En las tablas, 17, 18 ,19 y 20 se muestran los datos de fatiga correspondientes

a todos los grupos de probetas en masa ensayadas en este proyecto.

Probeta % Tensión máxima Ancho Espesor Fuerza

media Amplitud Nº de ciclos

Epoxi_01 50 30 5,04 5 415,80 340,20 7161 Epoxi_02 50 30 5 5,07 418,28 342,23 3865 Epoxi_03 50 30 4,83 4,23 337,11 275,82 4682 Epoxi_04 50 30 4,78 4,54 358,07 292,97 1143 Epoxi_05 50 30 4,73 4,6 359,01 293,73 3378 Epoxi_06 50 30 4,76 4,78 375,42 307,16 3253 Epoxi_07 50 30 4,76 4,87 382,49 312,95 2572Epoxi_08 50 30 4,84 4,63 369,75 302,52 6834Epoxi_09 50 30 4,75 4,5 352,69 288,56 4700Epoxi_10 50 30 4,8 4,6 364,32 298,08 3556Epoxi_11 50 30 4,76 4,43 347,93 284,67 818Epoxi_12 50 30 4,82 4,37 347,55 284,36 1769Epoxi_13 50 30 4,71 4,27 331,84 271,51 1020Epoxi_14 50 30 4,74 4,37 341,78 279,64 4785Epoxi_15 50 30 4,76 4,46 350,29 286,60 2943

Tabla 17: Datos de las probetas de control y número de ciclos de fatiga antes de rotura



Epoxi+Ox_01 50 30 4,72 4,66 362,92 296,94 5720 Epoxi+Ox_02 50 30 4,7 4,28 331,91 271,57 5165 Epoxi+Ox_03 50 30 4,7 4,74 367,59 300,75 2750 Epoxi+Ox_04 50 30 4,63 4,46 340,72 278,77 38145 Epoxi+Ox_05 50 30 4,7 4,42 342,77 280,45 3413 Epoxi+Ox_06 50 30 4,59 4,32 327,18 267,69 16385 Epoxi+Ox_07 50 30 4,89 4,38 353,40 289,15 614Epoxi+Ox_08 50 30 4,8 4,38 346,90 283,82 21281Epoxi+Ox_09 50 30 4,89 4,27 344,52 281,88 715Epoxi+Ox_10 50 30 4,7 4,35 337,34 276,01 5241Epoxi+Ox_11 50 30 4,68 4,2 324,32 265,36 5587Epoxi+Ox_12 50 30 4,84 4,3 343,40 280,96 1705Epoxi+Ox_13 50 30 4,78 4,26 335,99 274,90 5210Epoxi+Ox_14 50 30 4,81 4,22 334,92 274,03 631Epoxi+Ox_15 50 30 4,85 4,32 345,71 282,85 741

Tabla 18: Datos de las probetas OX y número de ciclos de fatiga antes de rotura





Epoxi+AC1_01 50 30 4,83 4,68 372,97 305,16 2467 Epoxi+AC1_02 50 30 4,82 4,65 369,81 302,58 5214 Epoxi+AC1_03 50 30 4,83 4,35 346,67 283,64 1706 Epoxi+AC1_04 50 30 4,52 4,22 314,73 257,50 1339 Epoxi+AC1_05 50 30 4,86 4,72 378,50 309,68 4503 Epoxi+AC1_06 50 30 4,89 4,43 357,43 292,45 1559 Epoxi+AC1_07 50 30 4,79 4,33 342,22 280,00 2373Epoxi+AC1_08 50 30 4,79 4,3 339,85 278,06 2040Epoxi+AC1_09 50 30 4,82 4,36 346,75 283,71 1763Epoxi+AC1_10 50 30 4,88 4,13 332,55 272,08 1173Epoxi+AC1_11 50 30 4,71 3,92 304,64 249,25 1056Epoxi+AC1_12 50 30 4,73 3,89 303,60 248,40 1804Epoxi+AC1_13 50 30 4,74 4,03 315,19 257,88 870Epoxi+AC1_14 50 30 4,74 4,36 341,00 279,00 87Epoxi+AC1_15 50 30 4,82 4,39 349,14 285,66 1074

Tabla 19: Datos de las probetas AC1 y número de ciclos de fatiga antes de rotura



Epoxi+AC2_01 50 30 4,91 4,42 358,09 292,98 23254 Epoxi+AC2_02 50 30 4,79 4,16 328,79 269,01 973 Epoxi+AC2_03 50 30 4,66 4,67 359,08 293,79 1054 Epoxi+AC2_04 50 30 4,75 4,25 333,09 272,53 14242 Epoxi+AC2_05 50 30 4,78 4,15 327,31 267,80 13810 Epoxi+AC2_06 50 30 4,72 4,4 342,67 280,37 2251 Epoxi+AC2_07 50 30 4,95 4,56 372,44 304,72 3003Epoxi+AC2_08 50 30 4,89 4,07 328,39 268,68 5314Epoxi+AC2_09 50 30 4,81 4,51 357,94 292,86 2371Epoxi+AC2_10 50 30 4,76 4,46 350,29 286,60 8709Epoxi+AC2_11 50 30 4,76 4,24 333,01 272,46 4900Epoxi+AC2_12 50 30 4,77 4,63 364,40 298,15 489Epoxi+AC2_13 50 30 4,87 4,33 347,94 284,68 3928Epoxi+AC2_14 50 30 4,8 4,48 354,82 290,30 13650Epoxi+AC2_15 50 30 4,85 4,45 356,11 291,36 7141

Tabla 20: Datos de las probetas AC2 y número de ciclos de fatiga antes de rotura.



En la gráfica 6 se muestra una representación de las probabilidad que

presentan los distintos materiales a resistir cierto número de ciclos. Para elaborar la

gráfica se ha utilizado la distribución estadística de Weibull. En la gráfica número 6,

se puede comprobar con una probeta AC1 tiene un 50 % de probabilidad de

aguantar 2.500 ciclos de fatiga, mientras que una AC2, el doble. Si nos movemos a

probabilidades inferiores, una probeta OX tiene un 10 % de posibilidades de

aguantar hasta 37.000 ciclos, el resto se queda en 5.000 (AC1) o rompen (epoxi y

AC2).

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000

Prob

abilidadde

supe

rviven

cia(%

)

Númerodecicloshastaelfallo

Epoxi

Epoxi+OX

Epoxi+AC1

Epoxi+AC2

Gráfica 6: resistencia en fatiga a tracción al 50% de la carga máxima para probetas en masa

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

Epoxipuro Epoxi+OX Epoxi+AC1 Epoxi+AC2

Núm

ero

de c

iclo

s m

edio

Gráfica 7: Número de ciclos de fatiga medio de la resina epoxi sin y con los tres tipos de nanocargas



En la gráfica número 7 se observa que las funcionalizaciones OX y AC2 mejora

respecto al grupo de control. Sin embargo el grupo AC1 empeora. En el caso de las

nanoplaquetas OX, se puede afirmar que mejoran siempre, puesto que el intervalo

de desviación siempre se encuentra por encima del intervalo del grupo de control.

En el caso de las otras dos funcionalizaciones (AC1 y AC2), los intervalos de

desviación se superponen en gran medida con el control, por lo que la mejora no es

tan clara como en el otro caso.



3.1.4 Ensayo de fractura

En las tablas 21, 22 ,23 y 24 se muestran los de fractura correspondientes a

todas las probetas en masa ensayadas en este proyecto.

Epoxi Diámetro Altura KIC

1 0,00991 0,02077 0,47 2 0,01012 0,02111 0,68 3 0,00986 0,02069 1,68 4 0,00987 0,0206 1,51 5 0,00993 0,0208 1,27

Media 1,48 Desviación 0,21

Tabla 21 : Resultados desglosados de fractura del grupo de control

Epoxi+OX Diámetro Altura KIC 1 0,01005 0,02016 1,23 2 0,0101 0,02031 1,07 3 0,00981 0,02056 1,26 4 0,01 0,02033 1,14 5 0,01013 0,02035 1,09


Tabla 22 : Resultados desglosados de fractura del grupo OX

Epoxi+AC1 Diámetro Altura KIC

1 0,00986 0,02025 1,16 2 0,01 0,0208 1,51 3 0,01 0,02071 1,53 4 0,0099 0,0205 1,15 5 0,00983 0,0204 0,80


Tabla 23 : Resultados desglosados de fractura del grupo AC1



AC2 Diámetro Altura KIC1 0,01 0,01942 1,612 0,0099 0,0193 1,713 0,00984 0,02083 1,654 0,0098 0,02075 1,225 0,01094 0,02044 1,52

Media 1,66Desviación 0,05

Tabla 24 : Resultados desglosados de fractura del grupo AC2

La gráfica 8 compara la tenacidad a la fractura de todos los materiales estudiados.

Gráfica 8: Tenacidad a la fractura de la resina epoxi sin y con los tres tipos de

nanocargas

0,000,100,200,300,400,500,600,700,800,901,001,101,201,301,401,501,601,701,80


Tenacidadalafractura(M

Pa*m

^0,5)



En la tabla 25 se muestra el porcentaje de mejora de la tenacidad a la fractura.

En el grupos AC2, la tenacidad a la fractura aumenta hasta un 12,12 % mientras

que en los otros casos disminuye. Este fenómeno puede estar causado por la

mecanización de la probetas. El método empleado requiere de unos útiles de

mecanizado especiales con una curva de aprendizaje compleja. Al ser el grupo AC2

el último en ser mecanizado, la experiencia adquirida propició una mecanización

más acertada, lo que puedo influir en los mejores resultados en el ensayo de

fractura.

% KIc

OX -18,24%AC1 -5,41%AC2 +12,16%

Tabla 25 Porcentaje de variación respecto al control de los tres tipos de nanocarga



3.2 Resultados de las probetas laminares


En las tablas 26 y 27 se facilitan los resultados de las probetas laminares

desglosados, con valores medio y desviaciones. Al contrario que con las probetas

en masa, para este ensayo de tracción solo se han fabricado probetas blancas y

con nanoplaquetas OX. Debido a la compleja geometría de las probetas (hueso de

perro), es necesaria una máquina láser de corte, de la cual no dispone la

Universidad., por lo que las probetas han sido suministradas por Resinas Castro.

ProbetasFVblancas E(MPa) Rp0,2%(MPa) Rm(MPa)

1 2.426,10 289,74 290,16

2 2.273,45 266,61 280,31

3 2.332,08 292,47 292,77

4 2.417,80 274,93 276,94

5 2.279,18 301 301,10

Media 2.345,72 284,95 288,26



del grupo de control laminar


del grupo OX laminar .

Probeta FV -OX E (Mpa) Rp0,2%(Mpa) Rm (Mpa)

1 2.308,3 267,57 274,70

2 2.284,6 269,63 273,00

3 2.258,37 262,63 282,52

4 2.240,65 279,27 279,24

5 2.280,93 287,86 288,80

Media 2.274,57 273,39 279,65

Desviación Típica 23,20 9,03 5,67



Los resultados de las probetas laminares son más altos que sus homólogos

de probetas en masa, siempre comparando el mismo tipo de composición. Esto es

debido a que la fibra de vidrio que se ha incluido, tiene muy buena resistencia a

esfuerzo de tracción. Sin embargo, en este caso, las nanoplaquetas sin polímeros

adicionales (OX, solo oxidación), no mejoran los resultados. La explicación se

encuentra en la separación que existe entre las nanoplaquetas y las fibras. Ese

espacio resulta contraproducente a la hora de estirar el material (figura 39).

En las gráficas 9 , 10 y 11 se representan los valores medios y las desviación

de cada propiedad para todos los tipos de material empleados.

Dirección de propagación de la grieta

Fibra

Resina

Despegue

2150,00

2175,00

2200,00

2225,00

2250,00

2275,00

2300,00

2325,00

2350,00

2375,00

2400,00

2425,00

Epoxi Epoxi+Ox

Mód

ulode

elasticidadE(M

Pa)

Gráfica 9: Módulo de elasticidad de la resina epoxi laminar sin y con nanocargas OX en tracción

Figura 39: Micrografía de una probeta laminar con nanoplaquetas tipos OX



En la tabla 28 se muestra el porcentaje de variación respecto al grupo de

control, como ya se ha comentado, las nanoplaquetas OX no mejoran en el ensayo

de tracción, esto es debido a que no se adhieren bien a la fibra de vidrio.

E Rp0,2% RmOX -3,03% -4,06% -2,98%

Tabla 28: Porcentaje de variación respecto al control de las nanoplaquetas OX de probetas laminares en tracción

0,0025,0050,0075,00

100,00125,00150,00175,00200,00225,00250,00275,00300,00325,00350,00375,00

Epoxi Epoxi+Ox

Límite

elásticoR p

0,2%(M

Pa)

Gráfica 10 Límite elástico de la resina epoxi laminar sin y con nanocargas OX en tracción

0,0025,0050,0075,00

100,00125,00150,00175,00200,00225,00250,00275,00300,00325,00350,00375,00

Epoxi Epoxi+Ox

Resistenciaalatracción

Rm(M

Pa)

Gráfica 11: Resistencia a la tracción de la resina epoxi laminar sin y con nanocargas OX en tracción



3.2.2 Ensayo de flexión Este ensayo se ha llevado a cabo con dos tipos de probetas laminare:

• Fabricadas en ICAI : control, OX, AC1 y AC2

• Suministradas por Resinas Castro: control y OX

Probetas laminares de Resinas Castro

En las tablas 29 y 30 se muestran los resultados de las probetas hechas

industrialmente por Resinas Castro.

Numero Tipo de probeta F (N) Ancho

(mm) Espesor


1 Epoxi puro 1237,50 25,25 3,50 70 420,08 2 Epoxi puro 1255,50 25,23 3,50 70 426,53 3 Epoxi puro 1234,00 25,28 3,51 70 416,02 4 Epoxi puro 1230,90 25,29 3,44 70 431,86 5 Epoxi puro 1061,40 25,17 3,43 70 376,35 6 Epoxi puro 1190,10 25,22 3,44 70 418,71


Tabla 29: datos y resultados desglosados de las magnitudes medidas en el ensayo de flexión del grupo de control laminar


(mm) Espesor


1 Epoxi +OX 1360,30 25,17 3,67 70 421,32 2 Epoxi +OX 1361,00 25,20 3,67 70 421,03 3 Epoxi +OX 1353,00 25,18 3,68 70 416,62 4 Epoxi +OX 1362,30 24,37 3,64 70 443,00 5 Epoxi +OX 1370,00 25,11 3,67 70 425,33 6 Epoxi +OX 1299,70 25,18 3,67 70 402,39


Tabla 30: datos y resultados desglosados de las magnitudes medidas en el ensayo de flexión del grupo OX laminar



Como se puede observar en la gráfica 12, la resistencia aumenta ligeramente

al añadir nanoplaquetas tipo OX, un 1,61 %. Hecho que contrasta con lo visto en el

ensayo de tracción.

Probetas laminares fabricadas en ICAI

En las tablas 31, 32, 33 y 34 se muestra la información relativa al ensayo de

flexión de todos los grupos laminares.


(mm) Espesor

(mm) Tensión

(MPa) 1 Epoxi puro 348,00 24,91 2,05 349,05 2 Epoxi puro 351,00 24,93 2,00 369,58 3 Epoxi puro 329,40 24,76 1,86 403,77 4 Epoxi puro 364,00 24,90 2,03 372,48 5 Epoxi puro 285,00 24,76 1,90 334,79


Tabla 31: datos y resultados desglosados de las magnitudes medidas en el ensayo de flexión del grupo de control laminar (ICAI)

375380385390395400405410415420425430435440

Epoxipuro Epoxi+OX

Resis

tenciaalaFlexión

(MPa

)

Gráfica 12 : Resistencia a la flexión de la resina epoxi con y sin nanocargas OX laminar




(mm) Espesor

(mm) Tensión

(MPa) 1 Epoxi +Ox 336,00 24,75 1,76 460,18 2 Epoxi +Ox 328,20 24,77 1,86 402,14 3 Epoxi +Ox 287,60 24,88 2,00 303,44 4 Epoxi +Ox 317,80 24,80 1,88 380,69 5 Epoxi +Ox 368,80 24,87 2,05 370,51


Tabla 32 datos y resultados desglosados de las magnitudes medidas en el ensayo de flexión del grupo OX laminar (ICAI)


(mm) Espesor

(mm) Tensión

(MPa) 1 Epoxi+AC1 355,60 24,76 2,10 341,95 2 Epoxi+AC1 337,80 24,85 2,00 356,83 3 Epoxi+AC1 374,60 25,00 2,00 393,33 4 Epoxi+AC1 355,60 24,97 2,09 342,33 5 Epoxi+AC1 337,70 25,00 1,94 376,86


Tabla 33: datos y resultados desglosados de las magnitudes medidas en el ensayo de flexión del grupo AC1 laminar (ICAI)


(mm) Espesor

(mm) Tensión

(MPa) 1 Epoxi+AC2 371,40 24,82 1,98 400,77 2 Epoxi+AC2 384,00 24,84 2,05 386,24 3 Epoxi+AC2 378,50 24,97 2,21 325,88 4 Epoxi+AC2 370,10 24,83 1,90 433,54 5 Epoxi+AC2 300,30 24,75 1,83 380,42


Tabla 34 datos y resultados desglosados de las magnitudes medidas en el ensayo de flexión del grupo AC2 laminar (ICAI)



En la gráfica 13 y en la tabla 35, se puede comprobar como la funcionalización

OX y AC2 mejoran en flexión laminar. En el caso de la OX, en tracción este

resultado empeoraba, por lo que se puede afirmar, que este material trabaja mejor

a flexión.

% Rm

OX +4,76%AC1 -1,00%AC2 +5,31%

Tabla 35: Porcentaje de variación respecto al control de los tres tipos de nanoplaquetas laminares en flexión

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00

300,00

350,00

400,00

450,00

500,00


Resistenciaalaflexión(M

Pa)

Gráfica 13: Resistencia a la flexión de la resina epoxi laminar sin y con los tres tipos de nanocargas OX en flexión



3.2.3 Ensayo de fatiga

En las tablas, 36, 37 ,38 y 39 se muestran los resultados de fatiga

correspondientes a todas las probetas de laminados ensayadas en este proyecto.

Probeta % Tensión máxima

Tensión aplicada Ancho Espesor Fuerza


Epoxi_01 75 365,94 274,455 24,85 2,21 -174,48 142,76 39027 Epoxi_02 75 365,94 274,455 24,63 2,17 -166,74 136,42 93473 Epoxi_03 75 365,94 274,455 24,66 1,94 -133,43 109,17 428693 Epoxi_04 75 365,94 274,455 24,87 2,14 -163,74 133,97 13481 Epoxi_05 75 365,94 274,455 24,78 2,02 -145,36 118,93 64958 Epoxi_06 75 365,94 274,455 24,66 1,99 -140,39 114,87 9680

Tabla 36 Datos de las probetas de control y número de ciclos de fatiga antes de rotura

.




Epoxi+Ox_01 75 365,94 274,455 25,58 2,28 -191,17 156,41 2163 Epoxi+Ox_02 75 365,94 274,455 25,57 2,29 -192,77 157,72 20897 Epoxi+Ox_03 75 365,94 274,455 25,54 2,3 -194,23 158,92 26035 Epoxi+Ox_04 75 365,94 274,455 24,65 2,05 -148,93 121,85 5341 Epoxi+Ox_05 75 365,94 274,455 25,47 2,24 -183,73 150,32 927 Epoxi+Ox_06 75 365,94 274,455 25,56 2,29 -192,70 157,66 10485

Tabla 37: Datos de las probetas OX y número de ciclos de fatiga antes de rotura

.




Epoxi+AC1_01 75 365,94 274,455 25,5 2,22 -180,67 147,82 217109 Epoxi+AC1_02 75 365,94 274,455 25,56 2,09 -160,51 131,33 280353 Epoxi+AC1_03 75 365,94 274,455 25,47 2,18 -174,01 142,38 204283 Epoxi+AC1_04 75 365,94 274,455 25,5 1,98 -143,72 117,59 +500000 Epoxi+AC1_05 75 365,94 274,455 25,51 2,08 -158,67 129,82 170593 Epoxi+AC1_06 75 365,94 274,455 25,61 1,82 -121,95 99,78 +500000







Epoxi+AC2_01 75 365,94 274,455 25,57 2,12 -165,21 135,18 112630 Epoxi+AC2_02 75 365,94 274,455 25,33 2,08 -157,55 128,90 138822 Epoxi+AC2_03 75 365,94 274,455 25,53 2,21 -179,26 146,67 88817 Epoxi+AC2_04 75 365,94 274,455 25,46 2,2 -177,15 144,94 45549 Epoxi+AC2_05 75 365,94 274,455 25,48 1,93 -136,45 111,64 175352 Epoxi+AC2_06 75 365,94 274,455 25,43 2,14 -167,42 136,98 112416


En la gráfica 14 se muestra una representación de las probabilidad que

presentan los distintos materiales a resistir cierto número de ciclos. Para elaborar la

gráfica se ha utilizado la distribución estadística de Weibull. En la esta gráfica, se

puede comprobar con una probeta AC1 tiene un 50 % de probabilidad de aguantar

200.000 ciclos de fatiga, mientras que una AC2, la mitad. Si nos movemos a

probabilidades inferiores, una probeta OX tiene un 10 % de posibilidades de

aguantar hasta 20.000 ciclos, el resto se queda cerca de 400.000 (epoxi y AC2).

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0 100000 200000 300000 400000 500000 600000

Prob

abilidadde

supe

rviven

cia(%

)

Númerodecicloshastaelfallo

Epoxi

Epoxi+OX

Epoxi+AC1

Epoxi+AC2

Gráfica 14: resistencia en fatiga a tracción al 50% de la carga máxima para probetas en masa



Gráfica 15: Número de ciclos de fatiga medio de la resina epoxi sin y con los tres tipos de nanocargas

En la gráfica número 15 se observa que las funcionalizaciones AC1 y AC2

mejoran respecto al grupo de control. Sin embargo el grupo OX empeora y mucho.

En el caso de las nanoplaquetas OX, se puede afirmar que empeoran siempre,

puesto que el intervalo de desviación, siempre se encuentra por debajo del grupo

de control. En el caso de las otras dos funcionalizaciones (AC1 y AC2), los

intervalos de confianza se superponen en cierta medida con el control. Por lo que la

mejora no es tan clara como en el otro caso.

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

350000

400000

450000

500000


Núm

ero

de c

iclo

s



3.2.4 Ensayo de fractura interlaminarA continuación, se presentan los resultados del ensayo de fractura interlaminar,

que mide el grado de adherencia entre las distintas capas de un material laminado

(tablas 40 y 41). Este ensayo solo se llevó a cabo para probetas blancas y OX.

Área bajo la curva (J) Longitud de la grieta (mm)

Anchura (mm) GIc (J/m2)

Epoxi_01 4,86 100 25,21 1.926,25 Epoxi_01 4,20 100 25,15 1.669,14 Epoxi_01 4,73 100 25,23 1.875,47 Epoxi_01 4,90 100 25,41 1.930,62 Epoxi_01 4,78 100 25,27 1.888,58 Epoxi_01 4,97 100 25,21 1.970,05

Media 4,74 1.876,68 Desviación 0,28 107,05

Tabla 40: Resultados desglosados de fractura interlaminar del grupo de control

Las gráficas 16 y 17 representan la fuerza ejercida en cada punto durante la

propagación de la grieta en los laminados blancos y OX respectivamente.

-0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.160

20

40

60

80

100

120

Fuer

za (N

)

Carrera (m)

Gráfica 16: Fuerza respecto a la propagación de la grieta en probetas laminares blancas



Área bajo la curva (J) Longitud de la grieta (mm)

Anchura (mm) GIc (J/m2)

Epoxi+OX_01 3,54 100 25,17 1.405,59 Epoxi+OX_02 3,46 100 25,25 1.370,36 Epoxi+OX_03 3,97 100 25,28 1.570,49 Epoxi+OX_04 3,54 100 25,35 1.396,77 Epoxi+OX_05 3,62 100 25,29 1.431,44 Epoxi+OX_06 3,28 100 25,25 1.299,41

Media 3,57

1.412,34 Desviación 0,23

89,64

Tabla 41: Resultados desglosados de fractura del grupo OX

En la tabla 42 se aprecia como la adición de nanoplaquetas no mejora el comportamiento de la probeta en fractura interlaminar.

% GIC

OX -11,85 %

Tabla 42: Porcentaje de variación respecto al control de nanoplaquetas OX laminares en fractura interlaminar

-0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.180

20

40

60

80

100

120

Fuer

za (N

)

Carrera(m)

Gráfica 17: Fuerza respecto a la propagación de la grieta en probetas laminares OX



3.2.5 Ensayo de impacto Las tablas 43 y 44 representan los resultados del ensayo Charpy para los

laminados sin nanoplaquetas y con nanoplaquetas OX. La figura 18 compara

ambos tipos de materiales gráficamente.

Probeta Ancho Espesor Energía (J) Epoxi_01 10,00 4,00 5,97 Epoxi_02 9,75 3,90 5,68 Epoxi_03 9,80 4,00 6,00 Epoxi_04 9,95 3,96 5,76 Epoxi_05 10,00 3,97 6,30 Epoxi_06 9,95 3,95 5,30 Epoxi_07 9,97 3,96 5,94

Tabla 43: Resultados desglosados de energía absorbida del grupo de control laminar en el ensayo Charpy

Probeta Ancho Espesor Energía (J)

Epoxi+OX_01 10,00 4,00 7,72 Epoxi+OX_02 9,75 3,90 8,33 Epoxi+OX_03 9,63 4,00 8,75 Epoxi+OX_04 10,00 3,96 9,07 Epoxi+OX_05 10,00 3,87 7,83 Epoxi+OX_06 9,95 4,00 8,26 Epoxi+OX_07 9,90 3,94 7,72

Tabla 44: Resultados desglosados de energía absorbida del grupo OX laminar en el ensayo Charpy

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Epoxi Epoxi+OX

Ener

gía

abso

rbid

a(Ju

lios)

Gráfica 18: Comparativa entre la energía absorbida por los dos materiales.



3.3 Resumen de resultados

3.3.1 Probetas en masa

En la tablas 45, se muestra una recopilación de todos los resultados de las

probetas en masa de todos los ensayos que se han llevado a cabo en este proyecto.

Probetas en masa Epoxi Epoxi +OX Epoxi+AC1 Epoxi+AC2

Módulo de elasticidad (E) en GPa 3,090 +4,80 % +2,00 % +13,00 %

Límite elástico (Rp 0,2% ) en MPa 58,21 +3,60 % +4,70% +12,15 %

Resistencia a la tracción (Rm) en MPa 60,57 +5,40% +9,26 % + 20,20 %


Módulo de elasticidad (Ef) en GPa 3,650 -11,85 % -5,92 % -10,6 %

Tenacidad a la fractura (KI) en [\] ∗^ 1,48 -18,24 % -5,40 % +12,16 %

Número medido de ciclos 3690 + 180 % -40,21 % +100 %

Tabla 45 : Resumen de resultados de las probetas en masa desglosados por parámetro y funcionalización

3.3.2 Probetas laminares

En la tablas 46, se muestra una recopilación de todos los resultados de las

probetas en masa de todos los ensayos que se han llevado a cabo en este

proyecto.

Probetas laminares Epoxi Epoxi +OX Epoxi+AC1 Epoxi+AC2

Módulo de elasticidad (E) en GPa 2,3500 -3,03 % - -

Límite elástico (Rp 0,2% ) en MPa 284,95 -3,85 % - -

Resistencia a la tracción (Rm) en MPa 288,26 -2,98 % - --


Fractura interlaminar de probetas laminares (GIc) en KJ/m2 1,88 -24,74 % - -

Número medido de ciclos 108.291 -90 % +188 % + 3,7 %

Tabla 46 : Resumen de resultados de las probetas laminares desglosados por parámetro y funcionalización



Capítulo 4 : Conclusiones

A la luz de los resultados obtenidos y tras el conocimiento y la experiencia

acumulados en este proyecto, ha quedado patente que el proceso de fabricación

afecta de una modo directo a los resultados de los ensayos. Las principales

cuestiones de la fabricación que repercuten en los ensayos son:

• Dispersión: uno de los principales problemas de los materiales compuestos es

la dispersión del refuerzo por la matriz. Se puede concluir que si la nanocarga

suministrada en el concentrado de partida está bien dispersa, el método

utilizado para diluir ese concentrado en la resina pura es correcto. Bajo el

microscopio, las nanoplaquetas diluidas en el componente A de la resina con

el agitador rotativo no presentan cúmulos puntuales, por lo que no hay

problemas de homogeneidad en la distribución del refuerzo a lo largo de la

matriz.

• Curado: tras comprobar que el curado al aire libre no era del todo eficaz. El

tratamiento térmico posterior al que se someten las probetas no solo fuerza

su correcta solidificación, sino que nos permite obtener las propiedades

óptimas del material.

Tras analizar el proceso de fabricación y a la vista de los resultados obtenidos, se

pueden sacar las siguiente conclusiones:

• Las nanoplaquetas OX empeoran en fractura y el módulo a flexión.

• Las nanoplaquetas AC1 empeoran en flexión, fractura y fatiga

• Las nanoplaquetas AC2 mejoran en general las propiedades mecánicas

Por lo que el material que debería usarse como adhesivo en la resina epoxi con las nanoplaquetas AC2.

Tras analizar el proceso de fabricación y a la vista de los resultados obtenidos

en los ensayos de las probetas laminares, se pueden sacar las siguiente

conclusiones:

• Las nanoplaquetas OX solo mejoran en la resistencia a la flexión

• Las nanoplaquetas AC1 empeoran en flexión pero mejoran en fatiga

• Las nanoplaquetas AC2 mejoran en general las propiedades mecánicas

Por lo que las nanoplaquetas que se deben usar en materiales laminares son las AC1.



5. Bibliografía [1]–“Introducción a la Ciencia y e Ingeniería de Materiales”, Limusa Whyley, William

D. Callister ,ISBN: 9786070500251

[2]-“Apuntes de TECNOLOGÍA DE LA ADHESIÓN”, Mario Madrid Vega, M.A.

Martínez Casanova, Juan Carlos del Real Romero, Comillas ICAI, 1998.

[3]- “Evaluación de una unión laminada con adhesivo tipo PVA y maderas de

plantación: Acacia MAgium, Tectona grandis, Terminalia amazonia” , Freddy Muñoz

Acosta, Pablo Moreno Pérez, 2011.

[4]- “Atomic Structure of Graphene, Benzene and Methane with Bond Lengths as

Sums of the Single, Double and Resonance Bond Radii of Carbon”, Raji Heyrovska,

Abril 2008.

[5]- Erik Huss y Fredrik All, Real Academia Sueca de Ciencias, Comunicado de prensa del 5 de Octubre de 2010.

[6]- “Graphene Re-knits its Holes” , Recep Zan, Quentin M. Ramass, Ursel Bangert,

Konstantin S. Novoselov, julio 2012.

[7]-“Graphene: Scientific Backgroung on the Nobel Price in Physics 2010”, Kungl Vetenskaps-Akademien, octubre 2010.

[8]-“Obtención de grafeno mediante métodos químicos de exfoliación” , Carmen Alcolea Sánchez, ETSI-ICAI, mayo 2013.

[9]-“ Mechanical Properties and Tensile Fatigue of Graphene Nanoplatelets

Reinforced Polymer Nanocmoposites”, Ming-Yuan Shen, Tung-Yu Chang, Tsung-Han Hsieh,Yi-Luen Li, Cin-Lung Chiang, Hsiharng Yang, Ming-Chuen Yip, 2003.

[10]- “An assessment of the science and technology of carbon nanotube-based

fibers and composites”, Chou T., Gao L., Thostenson E.T., Zhang Z., Byun J., Composites Science and Technology 70, 1-19, 2010.

[11] “Characterization of carbon nanofiber/epoxy nanocomposites by the

nanoindentation technique”, Sánchez M., Rams J., Campo M., Jiménez-Suárez A., Ureña A., Composites: Part B 42, 638-644, 2011.

[12]- “The revolutionary creation of new advanced materials – carbon nanotube

composites, Composites: Part B 33”, Lau K.T., Hui D., 263-277, 2002.



[13]- “Fundamental aspects of nano-reinforced composites, Composites Science

and Technology 66”, Fiedler B., Gojny F.H., Wichmann M.H.G., Nolte M.C.M., Schulte K., 3115-3125, 2006.

[14]- “Polymer-assisted fabrication of nanoparticles and nanocomposites, Progress

in Polymer Science 33”, Rozenberg B.A., Tenne R., 40-112, 2008.

[15]-Supplementary Information

Enlace:

https://www.google.es/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&cad=rja&

uact=8&ved=0ahUKEwiosuTL053NAhUCcD4KHayID7UQFggeMAA&url=https

%3A%2F%2Fs3-eu-west-1.amazonaws.com%2Fpstorage-acs-

6854636%2F4394791%2Fam100728r_si_001.pdf&usg=AFQjCNFGR6BUP6m

Fk02e3fHLPWt2T2qtOA

[16]- “Dramatic Increase in Fatigue life in Hierarchical Graphene Composites”,

F.Yavari, M. A. Rafiee,J. Rafiee, Z.-Z. YU, N. Koratkar, 2010.

[17]- “Influence of Graphene nanoplatelets on modes I, II and III interlaminar fracture

toughness of fiber-reinforced polymer composites” ,B. Ahmadi-Moghadam, F.

Taheri, junio 2015

[18] -Norma UNE-EN ISO 178, “Determinación de las propiedades de flexión” ,2010

[19]- Norma UNE-EN ISO 6892 “Ensayo de tracción. Parte 1: Método de

ensayo a temperatura ambiente”,2009.

[20]- Norma AITM 1-0005,”Determination of interlaminar fracture toughness

energy”, 1994.

[21]- Norma ASTM E1304, “Standard Test Method for Plane-Strain (Chevron-Notch)

Fracture Toughness”,1997.

[22]- Norma UNE-EN ISO 179-1, “Plásticos. Determinación de las propiedades al

impacto Charpy”, 2001.



Anexos

Anexo A: Technical Datasheet Epoxy Resoltech ® 1050

Anexo B: Graphenit-OX Technical Data

Anexo C: Graphenit-AC1: Characterization sheet

Anexo D: Graphenit-AC2: Characterization sheet

RESOLTECH RESOLVING YOUR ENGINERING CHALLENGES www.resoltech.com

Page 1/4

Technical Datasheet V2 - 23.03.2015

RESOLTECH 1050 Hardeners 1053S to 1059S

The 1050 epoxy laminating system is formulated to manufacture high performance lightweight structures with glass, carbon, aramid and basalt reinforcements with or without post-curing. This latest generation system, without CMR substances according to GHS criteria is optimized with a low exotherm, low viscosity and excellent air release properties. This epoxy system is also suitable for the manufacture of small to very large structures and composite parts by wet lay-up, infusion, injection moulding or filament winding while guaranteeing low toxicity working conditions to the users. All hardeners mix with a 100/35 ratio and can be pre-blended together to precisely adjust the desired pot life. The 1050 resin + 1053S system is particularly recommended for infusion thanks to its low mixed vis-cosity (205mPa.s). The 1050 resin is available in a thixotropic version 1050T for wet lay-up application in vertical or over-hanging surfaces prone to resin dripping. It is possible to release the parts from the mould without post-curing. To speed up demoulding a 40ºC cure is possible and optimum thermo-mechanical properties of the laminate will be obtained after a 60ºC post-curing cycle. Laminates produced with the 1050 system will offer very good mechanical properties combined with ex-cellent fatigue resistance thanks to its exceptional wetting properties, improving the composite interlami-nar properties even on aramid reinforcements. Its elongation at break in flexion up to 5% makes the 1050 system as a prime choice epoxy system for large structural laminates submitted to dynamic working efforts.

Structural Lamination Epoxy System

Adjustable pot life from 10min to 14hours Room temperature cure & mould release TG up to 75°C Excellent wetting properties on all reinforcements For small to XXL size parts productions


Page 2/4


MIXING RATIO

The mixing ratio must be accurately followed. It is not possible to change the ratio, it would result in lower mechanical properties. The mixture should be thoroughly stirred to ensure full homogeneity. It is important to note that epoxy systems tend to heat up much faster in a pot than as a thin film. It is preferable to only mix the necessary amount usable within the given pot life. Keeping the mixture in flat open containers reduces the risks of exothermic reaction.

Resin 1050 Hardeners 1053S, 1054S, 1055S, 1056S, 1058S, 1059S

PHYSICAL CHARACTERISTICS

APPLICATION

The 1050 system can be applied by brush, roller, infused or injected. In case of laminating over a cured surface without peel ply, it is required to deglaze, clean and degrease the support prior to laminating. It is recommended to have workshop temperature conditions between 18-25°C in order to facilitate the mixing and the fibers reinforcement impregnation. A lower temperature will increase the viscosity of the mix as well as its pot life. On the contrary, a higher temperature will reduce the viscosity and the pot life of the mix.

Visual aspect

1050 : Opalescent neutral liquid 1053S - 1059S : Transparent yellow liquid Mixture aspect : Neutral to transparent yellow liquid Density (ISO 1675, + 0.05 tolerance)

References 1056S 1058S 1059S 1050 1054S 1055S 1053S

Density at 23°C 0.97 0.98 1.00 1.14 0.95 0.96 0.94

Mixed density at 23°C 1.10 1.11 1.12 - 1.09 1.09 1.08

Viscosity (ISO 12058.2, + 15% tolerance)

References 1056S 1058S 1059S 1053S 1054S 1055S 1050

Viscosity at 23°C (mPa.s) 40 68 166 14 21 30 1000

Mixed viscosity at 23°C (mPa.s) 462 520 637 251 308 362 -

Systems 1050 / 1053S 1050 / 1054S 1050 / 1055S 1050 / 1056S 1050 / 1058S 1050 / 1059S

Mixing ratio by weight 100 / 35

yballesteros

yballesteros

yballesteros

yballesteros

yballesteros

yballesteros

yballesteros


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Reactivity measurements realized on Trombotech®

NR: Non Representative

REACTIVITIES


CURING & POST CURING

TG obtained with following hardeners & curing cycles:

TG measured on Kinetech® Hardness: ISO 868

Systems Gel time on 70mL

at 23°C (4cm high mix)

Time at exothermic peak on 70mL at

23°C

Temperature at exothermic peak on 70mL at 23°C

Geltime on 2mm thick film at 23°C

1050 / 1053S 14h 11h40min NR 12h40min

1050 / 1054S 4h25min 3h20min 38°C 7h40min

1050 / 1055S 1h30min 1h40min 140°C 5h45min

1050 / 1056S 37 min 38min 184°C 3h10min

1050 / 1058S 19 min 21min 213°C 2h10min

1050 / 1059S 10 min 16min 217°C 1h05min

14 days at 23°C 16h at 60°C

Systems TG Shore D Hardness TG Shore D

Hardness

1050 / 1053S 42.4°C 88 54.6°C 88

1050 / 1054S 46.3°C 88 64.9°C 89

1050 / 1055S 48.6°C 89 65.9°C 89

1050 / 1056S 49.1°C 89 66.7°C 90

1050 / 1058S 49.7°C 90 69.4°C 91

1050 / 1059S 50.6°C 91 75.0°C 93

yballesteros

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PACKAGING

1,35kg kit : (1kg+0.35kg) 6,75kg kit : (5kg+1.75kg) 37,8kg kit : (28kg+9.8kg) 270kg kit : (200kg+3x23.33kg) 1350kg kit :(1t IBC+2x175kg steel drums)

Shelf life is minimum one year in sealed containers as provided. Keep containers sealed and away from heat and cold preferably between 10°C and 30°C in a well ventilated area.

TRANSPORT & STORAGE

HEALTH & SAFETY

Skin contact must be avoided by wearing protective nitrile gloves & overalls or other protective clothing. Eye protection should be worn to avoid risk of resin, hardener, solvent or dust entering the eyes. If this occurs flush the eye with water for 15 minutes, holding the eyelid open, and seek medical attention. Ensure adequate ventilation in work areas. Respiratory protection should be worn with ABEKP coded filters. Resoltech issues full Material Safety Data Sheet for all hazardous products. Please ensure that you have the correct MSDS to hand for the materials you are using before commencing work.

The data provided in this document is the result of tests and is believed to be accurate. We do not accept any responsibility over the mishandling of these products and our liability is limited strictly to the value of the products we manufacture and supply.

13790 ROUSSET • FRANCE Tel : +33 4 42 95 01 95 • Fax : +33 4 42 95 01 98 Email : [email protected] • www.resoltech.com


MECHANICAL PROPERTIES

Flexion according to ISO 178

Systems

Modulus (GPa)

Maximum strength (MPa)

Elongation at max. strength (%)

Curing Cycles 14 days at

23°C 16h at 60°C 14 days at 23°C 16h at 60°C 14 days at

23°C 16h at 60°C

1050 / 1053S 3.17 3.08 81.5 97.2 2.7 4.3 1050 / 1054S 3.38 3.18 89.4 91.1 3.4 4.2

1050 / 1055S 3.46 3.45 84.6 110.1 2.5 4.5

1050 / 1056S 3.52 3.42 72.1 113.6 2.2 5

1050 / 1058S 3.50 3.46 76.1 113.5 2.3 4.9

1050 / 1059S 3.56 3.33 81.6 118.1 2.4 5.6

yballesteros

yballesteros

yballesteros

yballesteros

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NIT Graphene Nanoplatelets GRAPHENIT-OX Technical Data

Reported data: Field-Emission Scanning Electron Microscopy (FE-SEM) with Energy-dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) mapping, Transmission Electron Microscopy (TEM), Raman Spectroscopy, Elemental analysis, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), X-ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM) , conductivity, Brunauer–Emmett–Teller (BET) area, bulk density and dispersions.

x Field-Emission SEM and EDS mapping for C (red) and oxygen (white).

Nanoinnova Technologies SL C/Faraday 7, 28049 Madrid www.nanoinnova.com

x TEM

x Elemental analysis. Starting graphite contains min. 99.97%wt C.

%C %H %N %S %O Graphenit-OX 96.45 0.34 0.43 <0.01 2.28

x Raman Spectroscopy (excitation 532nm)

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Inte

nsity

(a.u

.)

Raman shift (cm-1)

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Inte

nsity

(a.u

.)

Raman shift (cm-1)

2600 2700 2800 2900

Inte

nsity

(a.u

.)

Raman shift (cm-1)

Fitting peaks:

Band Center Area Width Height D 1353 1359.34 57.04 19.01 G 1580 7111.1 28.89 196.37 2D 2696 5334.9 86.82 49.03

x XPS C1s O1s C (%at) O (%at) Graphenit-OX 284.8 (69)

286.1 (23) 287.5 (8)

531.6 (38) 533.2 (62)

96.9 3.1

Binding energies (eV) and deconvoluted peaks (%) for C1s, O1s core levels.

Assignment (eV): 284.8 C-C 531.6 C=O 286.1 C-O 533.2 C-O

287.5 C=O

1200 1800 2400

Inte

nsity

(a.u

.)

Raman shift (cm-1)

280 284 288 292

coun

ts p

er s

econ

d (a

u)

BE (eV)

C1sGNPsC97

528 532 536

coun

ts p

er s

econ

d (a

u)

BE (eV)

O1sGNPsC97

x XRD

XRD pattern for (a) Graphenit-OX, (b) starting graphite and (c) detail for 2theta = 26.5º peak for both XRD patterns showing the decrease in intensity for Graphenit-OX.

x Scanning Electron Microscopy of powder

20 40 60 80

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

Inte

nsity

2Theta

Graphenit-OX

20 40 60 80

0

500000

1000000

1500000

2000000

2500000

Inte

nsity

2Theta

Starting Graphite

26 28

0

200000

400000

Inte

nsity

2Theta

Starting Graphite Graphenit-OX

(a) (b)

(c)

x Scanning Electron Microscopy of powder dispersed in NMP, deposited on a silicon wafer and dried.

x Conductivity

Conductivity of pressed pellets is 1.5 E+05 S/m

x BET Surface Area: 110 m²/g

x Bulk density 0.2 g/ml

x Dispersions (1mg/ml, 1h US bath)

Graphenit-OX 0h

H2O

THF

DMF

Graphenit-OX 1h

H2O

THF

DMF

Graphenit-OX 2 days

H2O

THF

DMF

NIT Graphene Nanoplatelets graphenit-AC1: Characterization sheet

Reported data: FTIR Spectroscopy, X-ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM)

x FTIR Spectroscopy: Attenuated Total Reflectance (ATR)

x XRD

XRD pattern for graphenit-AC1.


4000 3500 3000 2500 2000 1500 100020

30

40

50

60

70

Tran

smita

nce

(a.u

.)

Wavenumber (cm-1)

graphenitAC1

30 60 900

3000

6000

Inte

nsity

(a.u

.)

2Theta

graphenit-AC1

NIT Graphene Nanoplatelets graphenit-AC2: Characterization sheet

Reported data: FTIR Spectroscopy, X-ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM).

x FTIR Spectroscopy: Attenuated Total Reflectance (ATR)

x XRD

XRD pattern for graphenit-AC2.


4000 3000 2000 1000

28

35

42

Tran

smita

nce

(a.u

.)

Wavenumber (cm-1)

graphenit-AC2

30 60 90

0

2000

4000

6000

Inte

nsity

(a.u

.)

2Theta

graphenit-AC2

Adición de nanoplaquetas de grafeno a materiales ...La metodología adoptada durante el desarrollo...

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